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Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen
Instrumente, beispielsweise Interferometerundfaseroptische
Kreisel. Sie betrifft insbesondere das Gebiet der optischen
Bauteile, beispielsweise integrierte Optikkoppler zum Gebrauch
in integrierten optischen Schaltungen.
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Faseroptische Kreisel benutzen normalerweise einen
Optikkoppler, um Lichtstrahlen in eine faseroptische Spule
zu kopplen oder um Licht auf die Spule zu lenken, während
Interferenzmustersignale abgespaltet und auf einen Detektor
gerichtet werden. Herkömmliche Optikkoppler werden in
Übereinstimmung mit Verfahren hergestellt, wie sie im U.S.-
Patent 4,738, 511 von John Fling, 9. 4. 88, "Molecular Bonded
Fiber Optic Coupler & Method of Fabrication" beschrieben sind;
es wurde vom Abtretungsempfänger dieser Erfindung eingereicht.
Koppler dieser Art ergeben ein verläßliches Bauteil aus
einzelnen Fasern mit vorhersagbaren Eigenschaften, wobei ein
arbeitsintensiver Vorgang mit vielen Schritten verwendet wird.
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Das U.S.-Patent 4,468,085 von Michel Papuchon et al,
28. 8. 84, "Hybrid Optical Junction and Its Use In A Loop
Interferometer" zeigt in Fig. 2 ein Paar integrierte optische
Verbindungen, die in einem Substrat ausgebildet sind. Die
Wellenleiterbereiche werden in einem Substrat aus
ferroelektrischem Material ausgebildet, beispielsweise
Lithiumniobat, indem die Substratoberfläche maskiert und ein
Material in dem Substrat abgeschieden wird, etwa Titan, um
die Wellenleiter zu formen. Der integrierte Koppler von
Papuchon ist in großen Stückzahlen reproduzierbar, ohne daß
die arbeitsintensiven Schritte für den Koppler von Fling nötig
sind.
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Das Objekt, auf das sich Papuchon bezieht, wird durch
Einkoppeln von Licht aus einer Lichtquelle, beispielsweise
einer Leuchtdiode, in einen einzelnen optischen Eingang erregt.
Das zum Eingang hereinkommende Licht erregt gleiche Lichtmengen
im symmetrischen Mode und im anti-symmetrischen Mode innerhalb
der gekoppelten Moden benachbarter Wellenleiter. Licht im
anti-symmetrischen Mode wird in das Substrat gestrahlt, in
dem die Wellenleiterbereiche an der ersten Verbindung
ausgebildet sind. Kleine Anteile des Lichts im
antisymmetrischen Mode, die in das Substrat gestrahlt werden,
laufen durch das Substrat und koppeln nach der zweiten
Verbindung wieder in die Wellenleiterbereiche ein und
verursachen sehr große Verzerrungen im Licht des symmetrischen
Modes, das die Vorrichtung durchläuft.
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In einer Veröffentlichung von T. R. Ranganath mit dem
Titel "Ti-Diffused LiNbO&sub3; Branched-Waveguide Modulators:
Performance and Design", veröffentlicht im IEEE JOURNAL OF
QUANTUMELECTRONICS, VOL. QE-13, Nr. 4, Seite 290 - 295, April
1977, bespricht der Verfasser auf Seite 294 die Bedeutung
von Monomode-Wellenleitern und die Verbindungsfunktion einer
Gabel. Der Verfasser erklärt auf Seite 294: "Sehr allgemeine
Symmetriebetrachtungen haben bewiesen, daß eine 3-Tor-
Verbindung nie exakt anzupassen ist. Dieses Ergebnis ist
deshalb wichtig, weil unsere dielektrischen Gabeln 3 Tore
haben, die geführte Moden fort leiten können und ein
zusätzliches Tor, das mit den nicht geführten Strahlungsmoden
verbunden ist. Daher stellt die Anwesenheit des vierten Tors
die Streuverluste in Rechnung, die durch sorgfältigen Entwurf
verminderbar sind, aber nie beseitigt werden können."
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Im oben angesprochenen Artikel von Ranganath erläutert
der Verfasser, daß jede Monomode-Vorrichtung, die Hornbereiche
zum Einspeisen von Licht in die Struktur verwendet,
Streuverluste aufweist, und rät: "Es müssen Wege gefunden
werden, um dieses Streulicht einzubeziehen". Der Artikel zeigt
nicht, wie man verhindern kann, daß die Streuverluste durch
Einwirkung auf optische Signale irgendwo im Substrat
Verzerrungen erzeugen.
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Das U.S.-Patent 4,549,806 von P Martin und K. Petermann
für "A Method and Apparatus Measuring Absolute Rotation",
eingereicht am 30. 9. 82, veröffentlicht am 29. 10. 85
behandelt das Problem des Dekorrelierens zweier
Polarisationsmoden; der Gebrauch eines Dekorrelations-Wellenleiterbereichs
innerhalb eines integrierten Optikkopplers wird jedoch nicht
behandelt oder vorgeschlagen.
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Die japanische Patentzusammenfassung Vol. 10, Nr. 241
(P-488) (2297) vom 20. Aug. 1986 und JP-A-61/072207 zeigen
ein weiteres Beispiel für eine Doppel-Y-Vorrichtung, in diesem
Fall einen Mode-Scrambler, der ein Paar optische Verbindungen
umfaßt, die von Wellenleiterbereichen mit offenbar monomodaler
Form verbunden sind.
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Eine weitere Doppel-Y-Vorrichtung mit zwei Verbindungen,
die über einen mittigen Wellenleiterbereich verbunden sind,
ist von H. J. Arditty et al unter dem Titel "Integrated-optic
fiber gyroscope: Progress Towards a Tactical Application"
in dem Band 2nd INTERNATIONAL CONFERENCE ON OPTICAL SENSORS,
Stuttgart, DE, 5-7 September 1984, im VDE-VERLAG GmbH, Berlin,
veröffentlicht. Es wird erkannt, daß das Problem der
Verzerrungen vom anti-symmetrischen Mode herrührt, der an
der ersten Verbindung erzeugt und dort in das Substrat
übertragen wird. Im dem Schriftstück wird vorgeschlagen, die
Länge des mittigen Abschnitts zu vergrößern, um die Situation
zu verbessern.
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Im Gegensatz hierzu hat der Erfinder in diesem Fall
erkannt, daß das Problem des anti-symmetrischen Modes
angegriffen werden muß, bevor dieser in das Substrat eintritt.
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Somit wird erfindungsgemäß ein integrierter Optikkoppler
bereitgestellt, beinhaltend
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ein Substrat, das eine Wellenleiterstruktur mit
Wellenleiterbereichen von eins bis 5 aufweist, wobei das
Substrat einen geringeren Brechungsindex besitzt als die
Wellenleiterbereiche,
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wobei die Bereiche eins und zwei
Monomode-Wellenleiterbereiche Sind- die die erste bzw. zweite Öffnung mit einer
ersten Verbindung koppeln und zwar mit einem Endbereich des
Bereichs drei, und die Bereiche vier und fünf Monomode-
Wellenleiter-Bereiche sind, die die dritte bzw. die vierte
Öffnung mit einer zweiten Verbindung koppeln, und zwar mit
dem entgegengesetzten Endbereich des dritten Bereichs,
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dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich ein
Eingabesegment an der ersten Verbindung aufweist, die für
einen Multimode-Betrieb bemessen ist, damit man in den dritten
Bereich sowohl den symmetrischen als auch den
anti-symmetrischen Mode des Lichts leiten kann, das von einem Breitbandlicht
herkommt, wenn es über die erste Öffnung und durch den ersten
Bereich in die Verbindung geht, wobei die Länge des
Eingabesegments ausreicht, um zwischen den Moden eine Verzögerungszeit
einzuführen, die ausreicht, um die Dekorrelationszeit der
Moden zu überschreiten, wobei der mittige Bereich zudem ein
Monomode-Segment hat, das als Multimode-Segment an die zweite
Verbindung koppelt, so daß sich der anti-symmetrische Mode
aus dem mittigen Bereich, nachdem er durch das
Eingabe/Dekorrelationssegment gegangen ist, im Substrat fortpflanzt.
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Es zeigt sich, daß auf diese Weise ein integrierter
Optikkoppler bereitzustellen ist, der die Funktion der
Dekorrelation aufweist und in großem Umfang mit im wesentlichen
identischen Eigenschaften herstellbar ist.
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Der mittige Monomode-Wellenleiterbereich ist über einen
spitzen adiabatischen Bereich, der zwischen dem mittigen
Monomode-Wellenleiterbereich und dem mittigen Multimode-
Wellenleiterbereich angeordnet ist, mit dem mittigen Multimode-
Wellenleiterbereich koppelbar.
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Die Erfindung wird nunmehr zur besseren Darstellung und
um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, beispielhaft
mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigt:
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Fig. 1 das Schema einer optischen Schaltung, in der ein
herkömmlicher Optikkoppler dazu benutzt wird, Licht in einen
faseroptischen Ring einzuspeisen;
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Fig. 2 eine schematische graphische Darstellung der
elektrischen Feldstärke als Funktion des Abstands, gemessen
über dem Querschnitt eines optischen Wellenleiters für optische
Energie im symmetrischen Mode, die sich durch den Wellenleiter
bewegt;
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Fig. 3 eine schematische graphische Darstellung der
elektrischen Feldstärke als Funktion des Abstands, gemessen
über dem Querschnitt eines optischen Wellenleiters für optische
Energie im anti-symmetrischen Mode, die sich durch den
Wellenleiter bewegt;
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Fig. 4 das Schema einer optischen Schaltung, in der ein
integrierter optischer Dekorrelator dazu benutzt wird, Licht
in einen faseroptischen Ring einzuspeisen;
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Fig. 5 eine schematische Draufsicht des Substrats des
integrierten optischen Dekorrelators nach Fig. 4, die die
Diffusionsmuster des Wellenleiters darstellt;
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Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht des
Substrats des integrierten optischen Dekorrelators nach Fig.
4 und Fig. 5, die die Diffusionsbereiche des Wellenleiters
innerhalb des Substrats darstellt;
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Fig. 7 eine schematische graphische Darstellung der
elektrischen Feldstärke als Funktion des Abstands, gemessen
über dem Querschnitt eines optischen Wellenleiters für optische
Monomode-Energie, die sich durch den Wellenleiter bewegt;
und
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Fig. 8 eine schematische graphische Darstellung der
elektrischen Feldstärke als Funktion des Abstands, gemessen
über dem Querschnitt eines optischen Wellenleiters für optische
Dualmode-Energie, die sich durch den Wellenleiter bewegt.
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Die Veröffentlichung von T. R. Ranganath mit dem Titel
"Ti-Diffused LiNbO&sub3; Branched-Waveguide Modulators: Performance
and Design", veröffentlicht im IEEE JOURNAL OF QUANTUM
ELECTRONICS, VOL. QE-13, Nr. 4, Seite 290 - 295, April 1977,
ist hier durch Bezugnahme eingeschlossen, und zwar wegen ihrer
Informationen über den Entwurf von Monomode- oder Multimode-
Wellenleitern und den Entwurf von symmetrischen
Gabelleiterstrukturen in integrierten optischen Schaltungen.
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Fig. 1 zeigt das Schema einer herkömmlichen optischen
Schaltung, in der eine integrierte Optikkopplervorrichtung
10 verwendet wird, die auf einem Substrat 20 ausgebildet ist.
Die integrierte Optikkopplervorrichtung 10 hat eine erste
integrierte Optikverbindung 22 mit zwei Eingabewegen 24 und
26 und mindestens einem Ausgabeweg, ausgebildet als y-förmige
Baugruppe aus zwei optischen Monomode-Wellenleitern, die an
einer ersten integrierten Optikverbindung 22 mit einem mittigen
optischen Monomode-Wellenleiterbereich 28 verbunden sind.
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Der mittige optische Monomode-Wellenleiterbereich 28
weist ein Ausgangsende auf und eine zweite integrierte
Optikverbindung 30. Die zweite integrierte Optikverbindung
30 hat erste und zweite Ausgangswege 32 und 34, ausgebildet
als y-förmige Baugruppe aus zwei optischen Ausgabe-Monomode-
Wellenleitern, die am Ausgangsende des mittigen optischen
Wellenleiterbereichs 28 verbunden sind.
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Der Optikkoppler 10 ist über den Wellenleiterbereich
24 zum Empfangen von Licht aus einer Quelle verbunden,
beispielsweise einer Superlumineszenzdiode (SLD) 36. Das Licht
aus der SLD-Quelle 36 durchläuft den Wellenleiter 24 und den
Monomode-Wellenleiter 28 zur zweiten integrierten
Optikverbindung 30 der Wellenleiter 32 und 34. An der Verbindung 30 wird
das Licht aufgespalten, um sich durch die Wellenleiter 32
und 34 zu bewegen und an den Eingangsöffnungen 40 bzw. 42
in jedes Ende einer faseroptischen Spule 38 mit mehreren
Windungen rechtsdrehende (CW) und linksdrehende (CCW)
Lichtstrahlen mit nominal gleichen Intensitäten einzuspeisen.
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Das Licht, das der Wellenleiterbereich 24 empfängt und
weiterleitet, erregt gleiche Lichtanteile im symmetrischen
Mode und im anti-symmetrischen Mode, und zwar als gekoppelte
Moden innerhalb der Wellenleiter 24 und 26. Fig. 2 zeigt
schematisch die Spitzenfeldstärken des elektrischen Felds
an Punkten über einem Querschnitt der beiden Monomode-
Wellenleiter 24 und 26 für Licht im symmetrischen Mode. Fig.
3 zeigt schematisch die Feldstärke des anti-symmetrischen
Modes über einem Querschnitt des gleichen Zwei-Mode-
Wellenleiters.
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Erreicht das Licht im Wellenleiter 24 die erste
integrierte Optikverbindung 22, so breitet sich Licht im
symmetrischen Mode durch den Monomode-Wellenleiter 28 aus,
das Licht im anti-symmetrischen Mode wird dagegen in das
Substrat 20 gestrahlt. Erreicht das Licht im symmetrischen
Mode im Monomode-Wellenleiter 28 die zweite integrierte
Optikverbindung 30, so teilt sich die Energie in zwei getrennte
Strahlen, die sich durch die Wellenleiter 32 und 34 bewegen.
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Dieser Koppler 10 erlaubt es, eine gewisse Menge des
Lichts im anti-symmetrischen Mode, das in das Substrat 20
gelangt, in die Wellenleiter 32 und 34 zurückzukoppeln. Das
in die Wellenleiter 32 und 34 zurückgekoppelte Licht im
antisymmetrischen Mode ist im allgemeinen bezüglich des Lichts
im symmetrischen Mode, das sich direkt durch den Monomode-
Wellenleiter 28 bewegt hat, nicht in Phase. Das Licht, das
sich durch das Substrat 20 bewegt, nimmt einen längeren Weg
hinunter in das Substrat 20, das eine Mehrwegverbindung
darstellt. Zwischen dem Licht im symmetrischen Mode, das die
Wellenleiter 32 und 34 erreicht, und dem Licht im
anti-symmetrischen Mode besteht ein zufälliger, umgebungsabhängiger
Phasenunterschied, der von den genauen Einzelheiten des
durchlaufenen Wegs abhängt, wenn das Signal wieder in die
Wellenleiter 32 und 34 eintritt und zum ursprünglichen Signal
im symmetrischen Mode beiträgt. Die entstehenden
zusammengesetzten rechtsdrehenden (CW) und linksdrehenden (CCW) Signale
verursachen Verzerrungen im erfaßten Interferenzsignal am
Detektor 44.
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Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagrainm eines integrierten
Optik-Dekorrelators 50, der sich vom Optikkoppler nach Fig.
1 dadurch unterscheidet, daß mindestens ein Abschnitt des
Monomode-Wellenleiters 28 durch einen mittigen optischen
Multimode-Wellenleiter 52 ersetzt ist. Der mittige optische
Multimode-Wellenleiter 52 stellt eine Einrichtung zum
Dekorrelieren von Licht im symmetrischen Mode bezüglich des
Lichts im anti-symmetrischen Mode dar, wenn die jeweiligen
Strahlen von der ersten integrierten Optikverbindung 22 durch
den mittigen optischen Multimode-Wellenleiter 52 zur zweiten
integrierten Optikverbindung 30 gelangen. Siehe Figuren 4
und 5. Der mittige optische Multimode-Wellenleiter 52 hat
einen Multimode-Bereich 54 mit einem Eingangsende 56 und einem
Ausgangsende 58. Ein Monomode-Wellenleiter 60 weist bei 62
ein Eingangsende und bei 64 ein Ausgangsende auf. In der
bevorzugten Ausführungsform ist ein zugespitzter Bereich 66
zwischen dem Ausgangsende 58 des Multimode-Wellenleiters und
dem Eingangsende 62 des Monomode-Wellenleiters angeordnet.
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Das Eingangsende 56 des Multimode-Wellenleiters ist an
die erste integrierte Optikverbindung 22 angeschlossen; das
Ausgangsende 64 des Monomode-Wellenleiters ist an die zweite
integrierte Optikverbindung 30 angeschlossen. Bewegt sich
Energie im anti-symmetrischen Mode durch den zugespitzten
Bereich 58, wird sie gezwungen, in das Substrat abzustrahlen.
Licht im symmetrischen Mode durchläuft den zugespitzten Bereich
ohne Abstrahlung. Die Länge des zugespitzten Bereichs ist
so justiert, daß sie adiabatisch ist. Die Länge ist
normalerweise größer als 20mal die Breite und kann auf Längen
in der Nähe von 5mm erhöht werden.
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Fig. 5 zeigt eine Draufsicht des Substrats 52 und stellt
schematisch die Flächen auf dem Substrat dar, die die
freiliegenden Oberflächen der eingebetteten optischen
Wellenleiterbereiche einnehmen. In der bevorzugten
Ausführungsform wird das Substrat üblicherweise aus y-förmig
zugeschnittenem LiNbO&sub3; gebildet, einem brechenden Medium mit
einem Brechungsindex, der kleiner ist als der Brechungsindex
der Wellenleiter. Die erste integrierte Optikverbindung 22
und die zweite integrierte Optikverbindung 30 sind innerhalb
des Substrats 51 ausgebildet.
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Der integrierte Optik-Dekorrelator 50 wird mit
herkömmlichen Verfahrensschritten hergestellt, beispielsweise
mit den Schritten, die in der oben genannten Veröffentlichung
von T. R. Ranganath mit dem Titel "Ti-Diffused LiNbO&sub3; Branched-
Waveguide Modulators: Performance and Design" geschildert
sind. Eine übliche Folge von Schritten würde damit beginnen,
einen gepolten und polierten y-förmig zugeschnittenen LiNbO&sub3;-
Kristall, der die Abmessungen 1 mm, 4 mm und 32 mm hat (entlang
der Y-, der Z- und der X-Achse), mit einem positiven
Photoresist zu bedecken, beispielsweise (AZ 1350 J), und das Resist
durch eine geeignete Maske zu belichten. Die Wellenlänge der
Lichtquelle und die Anzahl der zu leitenden Moden bestimmen
die Wellenleiterbreite. Die Multimode-Leiter sind ungefähr
doppelt so breit wie die Monomode-Leiter. Nach dem Entwickeln
des Photoresists wird eine ungefähr 10 nm dicke Titanschicht
auf die freiliegenden Substratoberflächen gesputtert. Die
Photoresistschicht wird in Azeton abgetrennt; sie hinterläßt
das Ti-Muster. Die Diffussion des Ti in das Substrat wird
dann bei einer Ofentemperatur von ungefähr 980 ºC für 4,5
Stunden in einer Argonumgebung ausgeführt. Das Verfahren ergibt
einen integrierten Optik-Dekorrelator 50 mit Transversalmode-
Leitern in Tiefenrichtung.
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In anderen Ausführungsformen des Verfahrens können zum
Herstellen der Wellenleiter beispielsweise die Dotierstoffe
Ti, H, He oder Zn verwendet werden. Der Dotierstoff erhöht
den Brechungsindex des Kanals und bildet einen Wellenleiter
aus, der verglichen mit dem Substrat eine hohe Durchlässigkeit
hat. Ti und Zn werden durch thermische Diffussion implantiert.
Wasserstoff H wird durch Protonenaustausch in einem Säurebad
implantiert. Helium He wird mit einem Beschleuniger
implantiert. Die Dotierstoffe werden mit herkömmlichen
Maskentechniken implantiert, beispielsweise den oben
geschilderten, um die Begrenzungen der Wellenleiterbereiche
zu bestimmen. Die Temperatur, die Konzentration und die Zeit
werden eingestellt, um die Konzentration der Implantate zu
steuern.
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Die Funktion des mittigen Multimode-Wellenleiters 52
gleicht der beim Bandspreiz-Verkehr auftretenden Funktion.
Wird ein Signal von einer Antenne übertragen und ist das Signal
aufgespalten, so daß ein Anteil des abgestrahlten Signals
direkt zum Empfänger geht und ein zweiter Anteil zu einem
Berg läuft und dann zum Empfänger zurückkehrt, und ist das
Spektrum breit genug und die Verzögerung zwischen dem
reflektierten Weg und dem direkten Weg groß genug, so ist
die Korrelation des ersten Signals bezogen auf das zweite
Signal im Empfänger ungefähr null. Werden die beiden Signale
korreliert, etwa im Fall reflektierter Fernsehsignale, so
erzeugt das empfangene Signal ein Geistersignal, das im
Videobild wahrgenommen wird.
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Die Lichtquelle im Optik-Dekorrelator 50 ist
Breitbandlicht oder Bandspreiz-Licht, das ein breites Spektrum
sicherstellt. Zwei Wege werden durchlaufen. Die Energie des
symmetrischen Modes, die innerhalb des Wellenleiters verbleibt,
durchläuft den ersten Weg. Die Energie des anti-symmetrischen
Modes wird in das Substrat eingestrahlt; sie durchläuft den
zweiten Weg.
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Der mittige optische Multimode-Wellenleiter 52 ist dafür
entworfen, den Durchgangszeitunterschied zwischen dem Licht
im symmetrischen und im anti-symmetrischen Mode durch den
mittigen optischen Multimode-Wellenleiter größtmöglich zu
machen. Das Maximieren der Zeitdifferenz wird durch den Entwurf
der Geometrie des Wellenleiters erreicht, um den größtmöglichen
Geschwindigkeitsunterschied zu erreichen. Jedes der
Startsignale, also das Signal im symmetrischen Mode innerhalb
des mittigen optischen Multimode-Wellenleiters und das Signal
im anti-symmetrischen Mode innerhalb des Wellenleiters sind
Bandspreiz-Signale, die zu Beginn korreliert sind. Werden
die Signale am Knoten 22 freigegeben, so bewegen sie sich
den Multimode-Bereich 54 hinunter, und eines wird bezüglich
des anderen verzögert, während sie sich weiter entlang des
Bereichs bewegen. Der Multimode-Bereich 54 ist mit einer Länge
ausgelegt, die zum Einfügen einer ausreichenden
Verzögerungszeit hinreichend groß ist, so daß der langsamere
Strahl um eine Zeitdauer verzögerbar ist, die dazu ausreicht,
die Dekorrelationszeit der sich im Multimode-Bereich 54
bewegenden Moden zu überschreiten. Läuft das Licht im
symmetrischen und im anti-symmetrischen Mode zum Multimode-
Ausgangsende 58, so stören sich die beiden Moden nicht. Für
die beste Betriebsart sollte die Länge des Multimode-Bereichs
54 bzw. des Dekorrelationsbereichs mindestens die Länge zweier
Dekorrelationszeiten aufweisen.
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Die Länge des Multimode-Segments wird mit Bezug auf die
folgenden Betrachtungen bestimmt. Der Buchstabe L oder Lambda
wird dazu verwendet, die mittlere Wellenlänge zu bezeichnen.
Mit dL bezeichnet man die volle Breite bei der Hälfte des
größtmöglichen Werts des Lichtspektrums. Damit wird die
Kohärenzlänge (Lcoh) für Licht üblicherweise definiert als:
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1. Lcoh = (L)^2/(π * dL) .
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Der Faktor π im Nenner wird zum Festlegen der
Leitungsgestalt verwendet. Ein Faktor Pi wird für eine lorentzförmige
Bandbreite oder Leitungsgestalt verwendet; für eine Gauss-
Leitungsgestalt wird ein anderer Faktor verwendet. Der Term
dL bezeichnet die volle Breite oder Bandbreite bei der halben
Maximalleistung. L ist die Wellenlänge der mittleren Frequenz.
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Die Gleichung ist dem Äusdruck ähnlich, der zum Angeben der
Güte Q eines Oszillators verwendet wird. Die Wellenlänge L
des Lichts liegt im Bereich von 800 bis 1500 Nanometer, wobei
die üblichen Anwendungen bei 1500 Nannometer liegen. Der Term
dL oder Delta Lambda liegt normalerweise im Bereich von 10
bis 40 Nannometer. Benutzt man die so beschriebenen Bereiche,
so liegt die Koherenzlänge Lcoh normalerweise im Bereich von
25 bis 150 Micron. Dieser Wert ist die theoretische
Mindestlänge, die zum Dekorrelieren der symmetrischen und
der anti-symmetrischen Moden nötig ist. In der Praxis wäre
eine Entwurfs-Koherenzlänge von 200 bis 250 nm verwendbar.
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Breiten sich die Wellenfronten entlang des Segments 54
aus, so nimmt die Abstandsdifferenz Delta als Funktion des
Geschwindigkeitsunterschieds der beiden Wellenfronten zu.
Der Abstand Delta berechnet sich als Funktion der
Lichtgeschwindigkeit c und des Brechungsindex des Mediums n aus
Gleichung 2 wie folgt:
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2. Delta = ((v1 - v2) * D)/(c/n) .
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Der Brechungsindex für Lithiumniobat liegt etwa bei 2, 2.
Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ungefähr 300000 Meter/Sekunde.
Der Geschwindigkeitsunterschied liegt normalerweise bei etwa
einem Prozent. D ist die Länge des Multimode-Segments 54.
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Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Multimode-
Segments 54, dem der zugespitzte Bereich 66 folgt. Die
Verbindung besteht aus einem Segment mit gleichförmigem
Querschnitt gefolgt von einem zugespitzten Bereich 66, der
eine adiabatische Zuspitzung ist, um den großen Querschnitt
des Multimode-Wellenleiters 54 an den kleineren Querschnitt
des Monomode-Segments 60 anzupassen. Eine andere, weniger
wirksame Ausführungsform erhält man, wenn der zugespitzte
Bereich weggelassen wird und sich der Querschnitt des Segments
7 bis zum Eingangsende des Segments 60 erstrecken darf und
dort abrupt endet.
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Die Zuspitzung ist für den Dekorrelationsvorgang nicht
kritisch, bewirkt jedoch eine Verminderung der Lichtverluste
in das Substrat. Ein abruptes Ende könnte eine Dämpfung von
3 dB oder mehr erzeugen. Ein geeignet entworfenes, zugespitztes
Segment 66 kann den Lichtverlust auf etwa 0,1 dB begrenzen.
Die Länge der Zuspitzung beträgt üblicherweise 1 bis 2
Millimeter. Der Zuspitzungswinkel der Oberflächen liegt
normalerweise bei weniger als 5 Grad. Die Länge des Multimode-
Bereichs 54 liegt normalerweise bei 10 Millimetern. In einem
üblichen Entwurf wäre das Segment 60 drei Mikron breit und
das Segment 54 4 bis 5 Mikron.
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Der symmetrische Mode breitet sich weiter vom Bereich
54 zum Segment 66 und zum Wellenleiter 60 aus. Der
antisymmetrische Mode kann sich nicht hinter das zugespitzte
Segment 66 ausbreiten. Er verläuft daher in das Substrat.
Erreicht das Licht im symmetrischen Mode den Knoten 30, so
koppelt über einen unbestimmten Weg oder viele Wege ein Anteil
des Lichts im anti-symmetrischen Mode zurück in das Signal.
Da der anti-symmetrische Mode jedoch dekorreliert war, als
er das Ausgangsende 58 des Multimode-Segments 54 erreichte,
ist er immer noch dekorreliert, wenn er am Knoten 30 in die
optische Schaltung und die Segmente 32 und 34 zurückkoppelt.
Das so eingekoppelte Licht im anti-symmetrischen Mode erzeugt
an diesen Orten keinen Phasenfehler, da keine Korrelation
vorhanden ist. Die Verzerrungen im Ausgangssignal der optischen
Schaltung am Detektor 44 vermindern sich dadurch stark.
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Optikkoppler, wie sie in Verbindung mit der Schaltung
nach und den Bemerkungen zu Fig. 1 geschildert wurden, wurden
in einer optischen Schaltung für einem faseroptischen Kreisel
hergestellt und geprüft. Der geprüfte Optikkoppler erzeugte
Verzerrungen im Bereich von 500 bis 1000 Grad pro Stunde,
und zwar aufgrund der korrelierten Energie aus dem
antisymmetrischen Mode, die in die Segmente 32 und 34
zurückkoppelt. Das Zurückkoppeln ist dadurch verringerbar, daß die
Länge des Bereichs 28 vergrößert wird; somit werden die
Verzerrungen entsprechend kleiner. Der Chip müßte jedoch
unzweckmäßig groß gemacht werden, um die geringe Kopplung
zu erreichen, die für einen Navigationskreisel erforderlich
ist.
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Das Multimode-Segment 54 bzw. das Dekorrelationssegment
hat bevorzugt eine Länge, die ausreicht, um zwei bis drei
Dekorrelationslängen zu erzielen, so daß der symmetrische
und der anti-symmetrische Mode zu mehr als 99% dekorreliert
sind, wodurch die Verzerrungen um einen Faktor von mindestens
vier Größenordnungen vermindert werden. Hinzu kommt der
Vorteil, daß die Funktion eines Optikkopplers mit der eines
Dekorrelators mit allen Bauteilen auf einem Chip verbunden
ist, wodurch sich die Wiederholgenauigkeit erhöht und die
Kosten sinken.
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Fig. 6 zeigt schematisch den integrierten Optik-
Dekorrelator-Chip in perspektivischer Ansicht. Die mit Titan
diffundierten Flächen sind umrandet und gepunktet dargestellt.
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Der Raummode-Dekorrelator nach Fig. 4 und Fig. 5 kann
auch dadurch gekennzeichnet sein, daß er ein Substrat 51 mit
ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten
Wellenleiterbereichen 24, 26, 55, 60, 32, 34 aufweist, wobei
jeder Wellenleiterbereich ein erstes und ein zweites Ende
hat. Das erste Wellenleitersegment ist mit einem ersten Ende
an den optischen Eingang angeschlossen, um Breitbandlicht
von der Breitbandlichtquelle 36 zu empfangen. Der zweite und
der dritte optische Wellenleiterbereich 26, 55 sind jeweils
mit ihren ersten Enden an das zweite Ende des ersten optischen
Wellenleiters angeschlossen. Das zweite Ende 62 des dritten
optischen Wellenleitersegments ist mit dem ersten Ende des
vierten optischen Wellenleiterbereichs verbunden. Das zweite
Ende 64 des vierten optischen Wellenleitersegments ist mit
den ersten Enden des fünften und sechsten Wellenleiterbereichs
32, 34 verbunden. Die zweiten Enden des fünften und sechsten
Wellenleiterbereichs sind jeweils mit den ersten und zweiten
Eingängen 40, 42 des geschlossenen optischen Wegs 38 verbunden.
Das dritte optische Wellenleitersegment ist dazu bemessen,
Strahlen des Breitband-Laserlichts im symmetrischen und im
anti-symmetrischen Mode zu leiten. Jeder Strahl ist dadurch
gekennzeichnet, daß er sich mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit ausbreitet. Der dritte optische Wellenleiter ist lang
genug, um eine Verzögerungszeit zwischen den Strahlen
einzufügen, die ausreicht, die Dekorrelationszeit der
jeweiligen symmetrischen und anti-symmetrischen Strahlen zu
überschreiten.
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Der Monomode-Wellenleiterbereich 28 in Fig. 1 und das
Monomode-Wellenleitersegment 60 in Fig. 4 sind in ihrer
Funktion identisch, da beide dazu entworfen wurden, die
Lichtübertragung in einem einzigen transversalen Mode zu
unterstützen. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung von
Linien mit konstanter elektrischer Feldstärke, wie sie
innerhalb des Querschnitts eines Wellenleiters vorhanden sein
könnten. Die Linien stellen das E-Feld eines einzelnen
transversalen Modes dar, der in Fig. 2 als zentriertes
Gaussfeld dargestellt ist, und zwar im Querschnitt eines
Wellenleiters, der die X-Achse und die Y-Achse senkrecht zur
optischen Achse bzw. zur Z-Achse des Wellenleiters hat.
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Der Punkt in der Mitte der Mode-Darstellung nach Fig.
7 befindet sich in der physikalischen Mitte des Wellenleiter-
Querschnitts. Die Feldstärke fällt mit steigender Entfernung
von der optischen Achse auf die Wände des Leiters hin ab.
Innerhalb des Wellenleiters bewegt sich die Lichtwelle in
Richtung der optischen Achse, d. h. der Z-Achse, entlang des
Wellenleiters. Die Welle sieht gleich aus, unabhängig davon,
ob sie von irgendeinem Bezugspunkt im Leiter kommt oder
ausgeht. Daß die Welle transversal ist, bedeutet, daß das
E-Feld der Welle in einer Ebene schwingt, die transversal
oder normal zur Z-Achse ist, wenn sich die Ebene mit
Lichtgeschwindigkeit oder mit einer Geschwindigkeit, die mit
dem Medium der Wellenleiter verträglich ist, entlang der Z-
Achse bewegt.
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Das Multimode-Segment 54 nach Fig. 4, 5 und 6 ist
physikalisch so bemessen, daß es gemäß der Darstellung in
Fig. 8 zwei Moden führen kann. Das Multimode-Segment 54
unterstützt den symmetrischen Mode. Die Breite des Multimode-
Segments 54 ist vergrößert, um mehrfache Moden einschließlich
des anti-symmetrischen Modes nach Fig. 8 zu unterstützen.
Das Multimode-Segment 54 hat normalerweise über den größten
Teil seiner Länge einen gleichförmigen Querschnitt.