DE2840254A1

DE2840254A1 - Vorrichtung zur uebertragung von optischen strahlungen

Info

Publication number: DE2840254A1
Application number: DE19782840254
Authority: DE
Inventors: Jean Paul Castera; Georges Hepner
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-09-16
Filing date: 1978-09-15
Publication date: 1979-03-29
Also published as: US4221460A; GB2005043B; GB2005043A; FR2403567A1; DE2840254C2; FR2403567B1; JPS5454054A

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Oipl.-Chem Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Errisbercjerstrüs&e 19

8 München 60

THOMSON - CSF ; 14. September 1978

173» Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3158

Vorrichtung zur Übertragung von optischen Strahlungen

Die Erfindung bezieht sich auf die Übertragung von optischen Strahlungen. Es ist nämlich interessant, für die Informationsübertragung optische Trägerwellen zu verwenden, deren Wellenlänge sich vom Infrarot bis zum Ultraviolett erstrecken kann, wodurch es möglich ist, sehr viel größere Bandbreiten als mit den herkömmlichen elektronischen Anordnungen zu erzielen. Es ist bekannt, optische Modulatoren durch Verwendung elektrischer oder magnetischer Effekte zu bilden. Gegenwärtig werden auch Verbindungen von einem Punkt zu einem anderen Punkt mit Hilfe von optischen Pasern (Lichtleitfasern) realisiert. Schließlich ist auch die Demodulation der optischen Strahlungen möglich.

Dagegen gibt es gegenwärtig wenig Anordnungen, die eine Steuerung des Austauschs der optischen Strahlungen zwischen der Aussendung und der Demodulation ermöglichen. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, welche die Punktion eines optischen Zirkulators ergibt. Diese Vorrich-

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tung kann als Grundlage für zahlreiche Anwendungen dienen, beispielsweise für das Multiplexieren und Demultiplexieren. Durch Verwendung von zwei Vorrichtungen nach der Erfindung kann eine Verbindung in beiden Richtungen durch eine einzige Lichtleitfaser zwischen zwei Stationen gebildet werden, die jeweils mit einem Sender und einem Empfänger für moduliertes Licht ausgestattet sind. Diese wirtschaftliche und raumsparende Verbindungsart eignet sich insbesondere für das Fernsprechen.

Bekanntlich enthält ein Zirkulator im allgemeinen drei Zweige 1, 2, 3, wobei ein über den Zweig 1 ankommendes Signal über den Zweig 2 austritt, während ein über den Zweig 2 ankommendes Signal über den Zweig 3 austritt. Die Vorrichtung nach der Erfindung enthält insbesondere nichtreziproke Einrichtungen, welche die Polarisation der übertragenen Strahlung um 45° drehen, wie beispielsweise ein Faraday-Effekt-Drehglied, und Polarisationstrenneinrichtungen, welche den Polarisationsunterschied zwischen der sich in der Richtung 1-"-2 ausbreitenden Strahlung und der sich in der Richtung 2-*-3 ausbreitenden Strahlung ausnutzen, wobei dieser Unterschied auf der Mchtreziprozität des Faraday-Effekts beruht. Diese Trenneinrichtungen können ein doppelbrechendes Plättchen enthalten, das so orientiert ist, daß eine der Polarisationen einem ordentlichen Strahl entspricht und die andere Polarisation einem außerordentlichen Strahl entspricht. Es wird auch eine Ausführungsform in integrierter Optik vorgesehen, bei der die Führung des Lichtes in einer auf ein Substrat aufgebrachten dünnen magnetischen Schicht angewendet wird. In diesem Fall sind die Trenneinrichtungen durch eine Zone der Schicht gebildet, die eine Verzweigung zwischen zwei Abschnitten unterschiedlicher Dicke darstellt, wobei die Dickendifferenz einer Differenz des Ausbreitungsindex äquivalent ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus

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der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigtί

Fig. 1 das allgemeine Schema eines optischen Zirkulators nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausführungsform des Zirkulatros, Fig. 3 das Schema einer Anordnung zur Übertragung in beiden

Richtungen über eine einzige Lichtleitfaser, Fig. 4 das Schema eines Multiplexierers oder Demultiplexierers für zwei Yfellen,

Fig. 5 eine Ausführungsform eines Filters, Fig. 6 die Kennlinien des Filters von Fig. 5, Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines Multiplexierers/Demul-

tiplexierers,
Fig. 8 eine Ausführungsform der Eingangs- oder Ausgangsanordnung

der Vorrichtung von Fig. 7»
Fig. 9 das Schema eines Multiplexierers oder Demultiplexierers mit η Kanälen,

Fig. 10 Kennlinien der Anordnung von Fig. 9, Fig. 11 das Schema einer anderen Ausführungsform eines Multiplexierers oder Demultiplexierers mit η Kanälen und Fig. 12 Kennlinien der Anordnung von Fig. 11.

Pig. 1 zeigt ein allgemeines Schema einer nichtreziproken optischen Torrichtung. Die über einen Zweig 1 eintretende Strahlungsenergie wird an einem Zweig 2 abgenommen, während die am Zweig 2 eintretende Strahlungsenergie an einem Zweig empfangen wird, der von dem Zweig 1 verschieden ist. Die Figur zeigt die Richtung des elektrischen Feldes E der Welle in einer Ebene, die senkrecht zu den Ausbreitungsrichtungen der Energie in den beiden Übertragungsrichtungen ist, an verschiedenen Punkten des Zirkulators: Im unteren Teil der Figur für die Bewegung vom Zweig 1 zum Zweig 2, und im oberen Teil der Figur für die Bewegung vom Zweig 2 zum Zweig 3. Eine im wesentlichen monochromatische Strahlung 7, die über den Zweig 1 eintritt und in einer Richtung χ polarisiert ist, geht durch ein Polarisationstrennglied 8, das aus einem einachsigen Material gebildet ist, das einen ordentlichen Strahl ohne Ablenkung durchläßt, während es einen außerordentlichen Strahl ablenkt. Es wird dafür gesorgt, daß die

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Polarisation äer Strahlung 7 einem ordentlichen Strahl entspricht. Sie wird daher nicht abgelenkt. Die Strahlung geht anschließend durch ein nichtreziprokes Polarieationsdrehglied 9 nach Art eines Faraday-Effekt-Drehglieds, das die Aufgabe hat, eine Drehung der Polarisation der hindurchgehenden Welle um 4-5° zu verursachen. Die Richtung der Drehung ist stets gleich, unabhängig davon, ob der Durchgang in der einen oder anderen Richtung erfolgt. Am Ausgang des Drehglieds 9 bildet das Feld E der optischen Trägerwelle einen Winkel von 45° mit der Richtung x. Die Strahlung geht anschließend durch ein Halbwellenplättchen 4, dessen schnelle Achse R mit der Richtung χ einen Winkel α von 22,5° bildet, so daß an seinem Ausgang das EeId E wieder parallel zur Richtung χ ist. Die am Zweig 2 abgenommene Strahlung hat somit die gleiche Polarisation wie die ankommende Strahlung 7.

Es sei nun eine Strahlung 70 betrachtet, die über den Zweig 2 ankommt und parallel zur Richtung χ polarisiert ist. Das Halbwellenplättchen 4 dreht das PeId E um 45° in der entgegengesetzten Richtung wie zuvor. Dagegen dreht das Drehglied 9 die Polarisation um 45° in der gleichen Richtung wie zuvor, so daß das PeId E der Strahlung nach dem Durchgang durch das Drehglied 9 senkrecht zur Richtung χ ist. Die Strahlung tritt somit in das Trennglied 8 in Form eines außerordentlichen Strahls ein. Sie wird daher vom Trennglied um einen Winkel 9 abgelenkt, so daß man an dessen Ausgang eine Strahlung 5 erhält, die einem Weg folgt, der von dem Weg der Strahlung 7 verschieden ist. Im Sonderfall von Fig. 1, wo das Trennglied 8 ein planparalleles Plättchen ist, sind die Wege der Strahlungen 5 und 7 parallel und gegeneinander um eine Strecke d versetzt, die von dem Winkel O und von der Dicke des Plättchens 8 abhängt. Ein Halbwellenplättchen 6, dessen schnelle Achse einen Winkel von 45° mit der Achse χ bildet, ermöglicht es, am Zweig 3 einen Strahl abzunehmen, dessen Polarisation parallel zur Richtung χ ist. Die Verwendung der Halbwellenplättchen 4 und

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6 macht es möglich, an den Zweigen 1, 2, 3 die gleiche Polarisation zu erhalten, doch sind sie für die eigentliche Zirkulatorfunktion nicht unbedingt notwendig.

Pig. 2 zeigt eine Ausführungsform des in Fig. 1 schematisch dargestellten Zirkulators, wobei die verschiedenen Bestandteile in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Bestandteile sind auf einem Sockel 11 nebeneinander angeordnet. Die Strahlungen der Zweige 1, 2 und 3 breiten sich in Lichtleitfasern 1, 2, 3 aus, die in Trägern 10, 20 bzw. 30 angeordnet sind, wodurch eine bleibende Ausrichtung gewährleistet ist. Das Trennglied 8 ist durch ein Plättchen aus einem doppelbrechenden Material, beispielsweise Rutil, gebildet, dessen Länge Ig unter Berücksichtigung des Winkels θ , der von den Eigenschaften des verwendeten Materials und dem Schnitt des Plättchens abhängt, für eine gute Trennung der Lichtleitfasern 1 und ausreicht. Das Drehglied 9 ist durch eine Schicht aus einem ferrimagnetischen Granat mit der Dicke hg gebildet, die auf ein Substrat 12 aufgebracht ist, das beispielsweise aus einem Gadolinium-GaIlium-Granat (GGG) mit der Dicke h₁₂ besteht. Die Schicht 9 kann aus einem Yttrium-Eisen-Granat (YID) gebildet sein, wobei vorzugsweise gewisse Yttrium- und/oder Eisen-Atome substituiert sind, damit die Magnetisierungsrichtung des Materials in der Ebene der Schicht 9 liegt, und sie kann epitaktisch auf das Substrat 12 aufgebracht sein. Die Breite dg der Schicht 9 und die Dicken hg und h₁₂ sind vorzugsweise so gewählt, daß sie gerade dafür ausreichen, daß die gesamte aus den Fasern austretende Strahlungsenergie sich in der Schicht 9 ausbreiten kann. Die Magnetisierung M der Schicht 9 ist parallel zu der Ausbreitungsrichtung orientiert; dies geschieht durch herkömmliche elektromagnetische Einrichtungen, die in der Figur nicht dargestellt sind, beispielsweise durch eine Spule, durch die ein elektrischer Strom fließt. Die Länge Ig der aus dem Substrat 12 und der Schicht 9 bestehenden Anordnung ist so bemessen, daß der Polarisationsdrehwinkel

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45° beträgt. Dieser Winkel ist nämlich bekanntlich zu der durchlaufenen Strecke proportional. Die Halbwellenplättcheh 4 und 6 bestehen aus einem doppelbrechenden Material, beispielsweise Quarz. Die Längen 1. und Ig dieser Plättchen, die gleich groß sein können, sind so bemessen, daß der von ihnen verursachte Gangunterschied ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge λ des übertragenen Lichtes ist. Im Hinblick auf die verwendeten Materialien eignet sich die Vorrichtung vorteilhaft für Infrarotstrahlung.

Der Zirkulator von Pig. 2 kann beispielsweise in der folgenden form hergestellt sein: die Pasern 1, 2, 3 haben einen Durchmesser von 50 um. Das Plättchen 8 besteht aus Rutil; es ist so geschnitten, daß die Eintritts- und Austrittsflächen mit seiner optischen Achse einen Winkel bilden, bei dem der Ablenkwinkel θ ein Maximum hat. Man erhält dadurch θ =0,1 Bogengrade; seine Länge beträgt I₈ = 1 mm, was einen Abstand d = 100 /um zwischen den Achsen der Lichtleitfasern 1 und 3 ergibt. Das Substrat 12 aus GGG hat die Dicke h₁₂ = 500 um. Die Schicht 9 aus YIG hat die Dicke hg = 50 um; Substitutionen durch Terbium-Atome ermöglichen die Erzielung einer Paraday-Konstante von etwa 400°/cm; zur Erzielung eines Winkels von 45° liegt die Länge Ig in der Größenordnung von 1 mm; die Breite dg ist mindestens gleich dem Durchmesser der Lichtleitfasern 1 und 2, also dg = 50 /um. Das Plättchen 4 besteht aus Quarz; es ist so geschnitten, daß seine schnelle Achse senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung steht und einen Winkel von 22,5° mit der Richtung χ bildet; seine Länge 1« ist so bemessen, daß gilt:

—Ja 2 i = 2 k + 1

λ/2

wobei η und η der Brechungsindex für den außerordentlichen Strahl bzw. für den ordentlichen Strahl sind und k eine ganze Zahl ist. Pur λ = 1 «m und k = 3 liegt 1. in der Größenordnung von 100 um. Das Plättchen 6 besteht gleich-

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falls aus Quarz, und seine Länge Ig ist gleich der Länge 1.; es ist so geschnitten, daß seine schnelle Achse senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung steht und einen Winkel von 45° mit der Richtung χ bildet. Die Träger 10, 20, 30 sind vorzugsweise durch einen Siliziumauftrag gebildet, der zur Erzielung der gewünschten V-förmigen Ausnehmungen eingeschnitten ist.

Fig. 3 zeigt das Schema einer ersten Anwendung des beschriebenen Zirkulators. Es handelt sich um die Verbindung von zwei jeweils mit einem Sender und einem Empfänger ausgestatteten Stationen durch eine einzige Leitung. Bei dieser Anordnung werden zwei nichtreziproke Vorrichtungen 301 und 302 angewendet, von denen jede der Vorrichtung von Fig. und 2 entspricht. Die Strahlungsenergie kann über den Zweig E₁ in den Zirkulator 301 eintreten und diesen über den Zweig T verlassen. Sie wird dann im Zweig T übertragen und vom Zirkulator 302 empfangen, aus dem sie über den Zweig R₂ austritt. In der entgegengesetzten Richtung kann die Strahlungsenergie über den Zweig E₂ in den Zirkulator 302 eintreten, worauf sie wie zuvor über den gleichen Zweig T übertragen wird und in den Zirkulator 301 eintritt, den sie über den Zweig R₁ verläßt. Die Zwei e E₁, T, R₁ beim Zirkulator 301 und die Zweige E₂, T, R₂ beim Zirkulator spielen jeweils die gleiche Rolle wie die Zweige 1, 2, 3 von Fig. 1. Diese Zweige sind beispielsweise durch Lichtleitfasern gebildet. Die Zweige E₁ und E₂ sind für die Verbindung mit Strahlungsquellen bestimmt, denen im allgemeinen Modulationseinrichtungen zum Aufmodulieren einer zu übertragenden Information zugeordnet sind. Die Zweige R₁ und Rp sind für die Verbindung mit Strahlungsdetektoren bestimmt, denen Einrichtungen zugeordnet sind, welche die Aufgabe haben, die von der übertragenen Welle mitgeführte Information wieder herzustellen. Eine solche Übertragungsanordnung ist platzsparend und wenig kostspielig; sie kann insbesondere beim Fernsprechen verwendet werden.

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Das S_chema von Pig. 4· zeigt eine zweite Anwendung des Zirkulators für das Multiplexieren oder Demultiplexieren von Lichtwellen mit verschiedenen Trägerfrequenzen. Diese Anordnung enthält eine nichtreziproke Vorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art in Verbindung mit selektiven Lichtfiltereinrichtungen. Die Bestandteile, die denjenigen von Pig. 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Pur das Demultiplexieren wird über den Zweig 1 eine ankommende Strahlung eingeführt, die in der Richtung χ polarisiert ist und zwei Trägerwellen mit den Wellenlängen λ- bzw. λρ enthält. Diese Strahlung geht nacheinander durch das Polarisationstrennglied 8, das Drehglied 9 und das Halbwellenplättchen 4. In Verlängerung dieses HaIbwellenplättchens ist ein Pilter 12 angeordnet, das die Eigenschaft hat, die Trägerwelle mit der Wellenlänge λρ zu reflektieren und die Trägerwelle mit der Wellenlänge λ, zu übertragen. Man erhält somit am Ausgang des Pilters im Zweig 2 die Trägerwelle der Wellenlänge λ.,. Die andere Trägerwelle wird reflektiert und geht erneut durch das Halbwellenplättchen 4, das Drehglied 9 und das Trennglied Sie wird von dem Trennglied abgelenkt, geht durch das Halbwellenplättchen 6 und wird am Zweig 3 abgenommen. Auf diese Weise sind die beiden Trägerwellen der ankommenden Strahlung voneinander getrennt worden. Die richtige Punktion dieser Anordnung setzt jedoch voraus, daß die Wellenlängen λ., und λρ so nah beieinanderliegen, daß das Verhalten der verschiedenen Bestandteile, insbesondere der Halbwellenplättchen, für die beiden TrMgerwellen im wesentlichen gleich ist. Beispielsweise erlauben die verwendeten Filter die Trennung von Wellen mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 1 um, für die gilt:

J A₁ — A₂J =1 S, alsol ^x1 - ^λ2 I = 10 "⁴.

^λ1

Pur diesen Zweiwellen-Demultiplexierer sind verschiedene Arten von Piltern verwendbar: Es kann sich um ein Tiefpaßfilter oder Hochpaßfilter handeln, dessen Grenzwellenlänge

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zwischen X^ und A₂ liegt, oder um ein Bandpaßfilter oder Bandsperrfilter, dessen Resonanz raittig zu der Wellenlänge X^ oder der Wellenlänge Ag liegt, und dessen Bandbreite kleiner als JA^ - Xp| ist.

Die in Fig. 4 schematisch dargestellte Anordnung kann auch zum Multiplexieren von zwei Strahlungen mit den Wellenlängen X^ bzw. λ £ dienen, die am Zweig 1 bzw. am Zweig 2 ankommen und beide in der Richtung χ polarisiert sind. Das Euter wird so gewählt, daß es die Strahlung mit der Wellenlänge X^ durchläßt und die Strahlung mit der Wellenlänge X₁ reflektiert. Die über den Zweig 1 ankommende Strahlung geht ohne Ablenkung durch das Trennglied 8, durch das Drehglied 9 und durch das Halbwellenplättchen 4; sie wird vom Filter 12 reflektiert und geht erneut durch das Halbwellenplättchen 4 und das Drehglied 9, an dessen Ausgang ihre Polarisation senkrecht zur Richtung χ steht. Sie wird also von dem Trennglied 8 abgelenkt, geht durch das Halbwellenplättchen 6 und wird am Zweig 3 abgenommen. Die über den Zweig 2 ankommende Strahlung wird vom Filter 12 übertragen und legt dann den gleichen Weg wie die erste Strahlung zurück. Sie wird daher ebenfalls am Zweig 3 mit der gleichen Polarisation abgenommen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Filters, das auf dem Sockel 11 von Fig. 2 zwischen dem Halbwellenplättchen 4 und dem Träger 20 der Lichtleitfaser 2 eingefügt ist. Es handelt sich um ein Mehrschicht-Interferenzfilter. Die Dicke der Schichten und ihre Zusammensetzung sind so gewählt, daß die gewünschte Filterkurve erhalten wird. Eine geeignete Filterkurve, die den Übertragungsfaktor t des Filters 12 als Funktion der Wellenlänge X darstellt, ist in Fig.6 angegeben. Es handelt sich dabei um ein Bandpaßfilter mit der Resonanzwellenlänge A_Q, bei welcher der Übertragungsfaktor t = t_Q nahe bei 1 liegt. Die Halbwertsbreite B ist durch t = t_Q/₂ definiert. Die Werte B und A_Q

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-H-

sind so gewählt, daß eine der Wellenlängen A₁, λρ im Durchlaßband liegt, während die andere außerhalb des Durchlaßbandes liegt.

Pig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform des Multiplexierers, bei der die Führung der Lichtenergie in dünnen magnetischen Schichten angewendet wird, die auf ein Substrat aufgebracht sind. Die Vorrichtung enthält ein Substrat 120, das beispielsweise aus einem Gadolinium-Gallium-Granat gebildet ist, und eine epitaktisch auf das Substrat 120 aufgebrachte Schicht 90 aus einem Material, das vorzugsweise aus einem ferrimagnetischen Granat besteht, beispielsweise aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit substituierten Gadolinium- und Gallium-Atomen, damit die Magnetisierungsrichtung des Materials in der Ebene der Schicht liegt. Die Dicke der Schicht bestimmt die Anzahl der Wellenformen, die sich durch Totalreflexionen an den Grenzflächen zwischen Substrat und Schicht sowie zwischen Schicht und Luft ausbreiten können. Man erkennt in der Figur, daß die Schichtdicke nicht für die ganze Anordnung gleich ist. Dem Zweig, der in Fig., 4 mit 1 bezeichnet ist, entspricht nämlich eine Zone Z_g0 der Schicht mit der Dicke e^. Der Wert von e., ist so gewählt, daß sich nur die Wellenform TE_Q ausbreiten kann, wobei die Dicke e^ kleiner als die Dicke ist, die der Grenzwellenlänge für die Wellenform TM entspricht. Dem Polarisationstrennglied 8 entsprechen die Zonen Zg-j und Zgp der Schicht: Die Zone Zgp liegt in Verlängerung der Zone Zqq und hat die gleiche Dicke. Die sich anschließende Zone Z₈₁ hat eine Dicke ep, die größer als die Dicke e^ ist, so daß sich die beiden Wellenformen TEq und TM₀ darin ausbreiten können. Die Grenze zwischen diesen beiden Zonen bildet einen Winkel β mit der Hauptachse ζ des Lichtleiters, welche die Ausbreitungsrichtung im Zweig 1 und im Rest der Vorrichtung ist, mit Ausnahme des Halbwellenplättchens 6, wie später zu ersehen sein wird. Eine in der Zone Zqq ankommende Strahlung breitet sich anschließend in der Zone Z_Q2 aus, und dann in den

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Zonen Zq, Z, und Z^g äer Dicke e₂, die in Verlängerung voneinander in der Richtung ζ liegen und die Längen Lq, L/ bzw. It..ρ haben; diese Zonen entsprechen dem nichtreziproken Drehglied 9, dem Halbwellenplättchen 4 bzw. dem Filter 12. Man erhält in der Zone Zg dadurch einen Faraday-Effekt, daß man ein konstantes Magnetfeld H₂ anlegt, das parallel zu der Achse ζ gerichtet ist; dies geschieht mit Hilfe einer Spule 91, durch die ein von einer Stromquelle 13 gelieferter Strom i fließt. Dieses Magnetfeld orientiert die Magnetisierung der Schicht in der Richtung ζ und verursacht eine Drehung der Polarisation der sich in der Schicht ausbreitenden Strahlung um einen Winkel, der der Wechselwirkungslänge proportional ist. Man wählt den Wert der Länge Lq so, daß dieser Winkel 45° beträgt. Die Zone Ζ. wird durch einen Cotton-Mouton-Effekt doppelbrechend gemacht, der durch ein Magnetfeld verursacht wird, das eine Komponente H* in der Richtung der Achse χ hat, die senkrecht zu der Achse ζ in der Ebene der Schicht liegt, sowie eine Komponente IL, die senkrecht zu der Schichtebene steht. Die Werte der Magnetfeldkomponenten Η, und H, sind so bemessen, daß die Richtung R des resultierenden Magnetfeldes einen Winkel α = 22,5° mit der Achse χ bildet, und daß sein Wert ausreichend groß ist, um die Magnetisierung in die gleiche Richtung zu bringen. Bekanntlich wird die Schicht dann doppelbrechend, wobei ihre schnelle Achse in der Richtung R liegt. Die Länge L, wird so bemessen, daß die von der Zone Z, verursachte Phasenverschiebung gleich (2k +1)9 ist. Man erhält somit ein Halbwellenplättchen. Die dem Filter 12 entsprechende Zone Z₁₂ ist zur Bildung eines Gitters graviert. Es handelt sich dabei um ein Bandsperrfilter. Die Gitterteilung P und die Anzahl N der Gitterstriche sind so gewählt, daß das Filter die Strahlungen reflektiert, deren Wellenlänge in einem Band der Breite B enthalten ist, das so gewählt ist, daß die Wellenlänge K^ im Band liegt und die Wellenlänge X^ außerhalb des B_andes. Die Zone 12 hat die Länge L₁₂ = NP- Die von dem Gitter reflektierte Strahlung breitet sich in der entgegengesetzten Richtung über

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die Zonen Z. und Zg aus und kommt an der Zone Z₈₁ in der Wellenform TM an. Die Grenze zwischen den Zonen Z₀. und Zg₂ verursacht dann eine Totalreflexion. Jedem Dickenwert der Schicht 90 entspricht nämlich ein anderer Ausbreitungsindex für eine gegebene Wellenform, die im vorliegenden Pail die Wellenform TM_Q ist. Die Zonen Z_QQ und Z_Q2 haben den Ausbreitungsindex n^ , und die Zonen Z₈₁, Z_g, Z., Z₁₂ haben den Ausbre it ungs index n₂ > n... Der Winkel β ist in Abhängigkeit von den Werten n₁ und n₂ so gewählt, daß die Bedingung der Totalreflexion erfüllt wird, d.h. daß gilt β < P₀ und cos ß_Q = n^/n₂. Die sich in der Wellenform TM₀ ausbreitende Strahlung geht ausschließlich durch die Zone Z₈₁ und dann durch die Zone Zg der Dicke e₂, die dem Halbwellenplättchen 6 entspricht. Die Ausbreitungsrichtung Z₁ bildet einen Winkel 2 β mit der Richtung z. Man erzeugt, wie in der Zone 4, eine Doppelbrechung aufgrund des Cotton-Mouton-Effekts durch ein Magnetfeld mit einer Komponente H₁-, die parallel zu einer Achse X₁ liegt, die in der Schichtebene senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung Z₁ steht, und mit einer Komponente Hg, die senkrecht zu der Schichtebene steht. Es gilt H₅ = Hg, so daß die schnelle Achse der Zone Zg einen Winkel von 4-5° mit der Achse X₁ bildet und die länge Ig gleich der Länge 1, sein kann. Um die Orientierung der Magnetisierung in den Zonen Z₈₀, Z₈₁ und Zg₂ zu erhalten, kann man an diese Zonen ein Feld h geringen Wertes anlegen, das parallel zur Richtung χ orientiert ist, was die Vermeidung des Faraday-Effekts und des Cotton-Mouton-Effekts in diesen Zonen ermöglicht. Fig. 7 zeigt Zonen, die mit klaren Grenzen vollkommen abgegrenzt sind. Dies gilt einerseits, wenn die Dicke der Zonen so klein ist, daß die Magnetisierung von einer Richtung zu der anderen Richtung mit einer Übergangszone von vernachlässigbarer Länge geht, und andererseits dann, wenn die in den verschiedenen Zonen angelegten Magnetfelder eine Verteilung mit steilen Planken haben. Die erste Bedingung ist leicht zu erfüllen: Die angewendeten Schichtdicken sind stets klein, weil man Wellenformen der Ordnung 0 zu über-

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tragen sucht. Die Erfüllung der zweiten Bedingung hängt von den Einrichtungen zum Anlegen der Magnetfelder ab. Diese Einrichtungen sind zur Vereinfachung nicht alle in der Figur dargestellt. Die Magnetfelder H₅, H^, H₅, H₆ können mit Hilfe von Magneten erhalten werden, für welche die Randeffekte gegenüber den vorkommenden Längen vernachlässigbar aind. Pur die Spule 91 ist festgestellt worden, daß die Verteilung des Feldes Hp befriedigend ist, wenn die Länge der Spule sehr viel größer als ihr Durchmesser ist, was leicht dadurch erreicht werden kann, daß die Dicke des Substrats klein gegen die Länge Lq gewählt wird. Als Beispiel können die folgenden Werte bei einer Schicht 90 aus YIG auf einem Substrat 120 aus GGG gewählt werden:

e* - 1 um; e^ = 5/um; L, = Lg = 10 mm; Lg = L^ - 10 mm; N = 10⁴.

Diese Ausführungsform mit Lichtwellenleitung durch Schichten ist natürlich auch für den Zirkulator von Fig. 1 anwendbar, vorausgesetzt, daß die Zone Z^₂» ä.h. die Filterzone, fortgelassen wird.

Die Einrichtungen für den Eintritt und Austritt des Lichtes über die Zweige 1, 2, 3 sind in Fig. 7 nicht dargestellt. Im allgemeinen wird das Licht durch eine Lichtleitfaser oder ein Lichtleitfaserbündel übertragen, dessen Durchmesser sehr viel größer als die Dicke der Schicht 20 ist (größenordnungsmäßig das 50fache). Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Eingangs-(oder Ausgangs-)Einrichtung für den Zweig 1. Zwischen der Faser 1 und der Zone Z₈₀ der Demultiplexieranordnung (oder Multiplexieranordnung) ist eine zylindrische Faser 121 angeordnet, beispielsweise aus Glas. Diese Faser liegt quer zu der Faser 1, so daß sie die Rolle einer Zylinderlinse spielt. Das aus der Faser 1 austretende Lichtbündel 7, das ein paralleles Bündel von kreisrundem Querschnitt ist, ist nach dem

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Durchgang durch die Faser 121 abgeflacht. Me Demultiplexieranordnung und die Faser 121 sind so angeordnet, daß das abgeflachte Bündel unter einem kleinen Einfallswinkel (der kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist) an der Schicht 90 ankommt und eine Dicke hat, die kleiner als die Dicke der Schicht 120 oder gleich dieser Dicke ist. Auf diese Weise tritt ein Maximum der Energie des Bündels 7 in die Schicht 90 ein.

Durch "Vereinigung mehrerer Multiplexier- oder Demultiplexieranordnungen mit zwei Kanälen der zuvor beschriebenen Art kann man eine Vorrichtung mit η Kanälen erhalten.

Pig. 9 zeigt eine Anordnung mit drei Vorrichtungen 101, 102, 103 der in Pig. 4 gezeigten Art, die in Kaskade angeordnet sind. Es sei der Pail der Demultiplexierung betrachtet. Eine ankommende Strahlung W, + W₂ + W₅ + W., die vier Trägerwellen W₁, Wp, W,, W. mit den Wellenlängen A₁, X₂, X* bzw. λ, enthält, tritt in die Vorrichtung 101 ein, die ein selektives Pilter enthält, das auf die Wellenlänge

X₁ abgestimmt ist. Je nach dem Filtertyp wird entweder die Welle W₁ übertragen und die Welle W₂ + W, + W. wird reflektiert, oder umgekehrt. Die Vorrichtung 101 trennt somit die Trägerwelle W₁ von den drei anderen Trägerwellen ab. Die Welle W₂ + W₅ + W₄ tritt in die Vorrichtung 102 ein, die ein selektives Pilter enthält, das auf die Wellenlänge X₂ abgestimmt ist und die Welle W₂ auswählt. Schließlich tritt die Welle W₃ + W. in die Vorrichtung 103 ein, welche die Trägerwellen W, und W. voneinander trennt. In Fig. 10 sind als Beispiel in einem gemeinsamen Diagramm die Übertragungskennlinien C₁, C₂, C, der in den Vorrichtungen 101, 102, 103 enthaltenen Pilter dargestellt. Dieses Diagramm bezieht sich auf den Fall, daß die Wellen W₁, W₂, W, die von den Filtern der Vorrichtungen 101, 102 bzw. durchgelassenen Wellen sind.

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Pig. 11 zeigt einen Demultiplexierer mit 8 Kanälen, der 7 parallel angeordnete Demultiplexiervorrichtungen 201 bis 207 enthält. Die ankommende Strahlung S₁ + S₂ ... +Sg besteht aus 8 Trägerwellen S₁ bis S_Q mit zunehmenden Wellenlängen X₁ bis A_Q. Die Übertragungskennlinien T₁ bis P„ der Filter sind in Fig. 12 dargestellt. Die Vorrichtung 201 enthält ein Tiefpaßfilter, dessen Grenzfreq.uenz zwischen λ. und λ,- liegt. Man erhält dadurch zwei Wellengruppen, nämlich eine Wellengruppe S₁ + S₂ + S, + Sa , die zu der Vorrichtung 202 übertragen wird, und eine zweite Wellengruppe Sn + Sg + S₇ + Sg, die zu der Vorrichtung 203 übertragen wird. Jede Vorrichtung trennt erneut die empfangene Strahlung in zwei Gruppen, und die Vorrichtungen 204 bis 207 liefern an 8 getrennten Ausgangskanälen die 8 Trägerwellen S₁ bis Sg.

Die Vorrichtungen von Fig.9 und 11 sind nur als Beispiel angegeben. Durch geeignete Wahl der Filter können alle in der Elektronik bekannten Strukturen angewendet werden.

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Patentansprüche

1i Vorrichtung zur Übertragung von optischen Strahlungen mit drei Zweigen, bei welchen die Übertragung einer polarisierten Strahlung vom ersten zum zweiten Zweig und vom zweiten zum dritten Zweig erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisationstrenneinrichtung vorgesehen ist, die eine Verzweigung zwischen dem ersten und dem dritten Zweig einerseits und dem zweiten Zweig andererseits bildet, und daß der gemeinsame Abschnitt der Verzweigung mit dem zweiten Zweig über eine nichtreziproke Einrichtung in Verbindung steht, welche die Polarisation der Strahlung um 45° dreht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch reziproke Rotationsdreheinrichtungen, die in zwei der drei Zweige angeordnet sind und es ermöglichen, in den drei Zweigen die gleiche Polarisationsrichtung der Strahlung zu erhalten, die so beschaffen ist, daß die Übertragungsrichtungen durch die Polarisationstrenneinrichtung erhalten werden.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtreziproke Einrichtung ein magnetisches Material und Einrichtungen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in der Ausbreitungsrichtung der Strahlung enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Material.eine auf ein Substrat aufgebrachte dünne Schicht ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationstrenneinrichtung eine planparallele Platte enthält, die aus einem einachsigen Material gebildet ist, das so orientiert ist, daß die Polarisation der sich in einer Richtung ausbreitenden Strahlung einem ordentlichen Strahl entspricht und die Polarisation der sich in der anderen Richtung ausbreitenden Strahlung einem außerordentlichen Strahl entspricht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Rutil ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reziproken Einrichtungen durch Halbwellenplättchen gebildet sind, die aus einem einachsigen Material hergestellt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Halbwellenplättchen Quarz ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche eines Substrats eine dünne magnetische Schicht angebracht ist, welche drei Lichtwellenleiterzweige bildet, daß der zweite Zweig und die Verzweigung des ersten und des dritten Zweigs durch einen Mchtwellenleiterzwischenabschnitt gebildet ist, daß der zweite Zweig und der Zwischenabschnitt wenig-

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stens zwei Wellenformen von Lichtenergie übertragen können, und daß der erste Zweig und der dritte Zweig jeweils wenigstens eine der beiden Wellenformen übertragen können.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Gadolinium-Galllum-Granat gebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Yttrium-Eisen-G-ranat mit substituierten Gadolinium- und Gallium-Atomen gebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Yttrium-Eisen-Granat mit substituierten Terbium-Atomen gebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht epitaktisch auf das Substrat aufgebracht ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zweig, der Lichtwellenleiter-Zwischenabschnitt und entweder der erste Zweig oder der dritte Zweig die gleiche Dicke haben, während der andere Zweig eine andere Dicke hat, und daß der erste Zweig und der dritte Zweig voneinander durch eine ebene Grenzfläche getrennt sind, die mit der Ausbreitungsrichtung in dem Zwischenabschnitt einen solchen Winkel bildet, daß die Grenzfläche nur für eine der beiden Ausbreitungswellenformen totalreflektierend ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die in zwei Zweigen angeordneten reziproken Einrichtungen Vorrichtungen zur

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Erzeugung eines Magnetfelds senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung in dem Zweig enthalten, die eine Doppelbrechung der Schicht durch den Cotton-Mouton-Effekt verursachen.
16. Anordnung zur Übertragung von optischen Strahlungen zur Verbindung von zwei jeweils mit einem Sender und mit einem Empfänger für optische Energie ausgestatteten Stationen durch einen einzigen Kanal, dadurch gekennzeichnet, daß jede Station eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 enthält und daß jedes Ende des Kanals mit dem zweiten Zweig einer der Vorrichtungen verbunden ist.
17. Anordnung zum Multiplexieren und Demultiplexieren von wenigstens zwei optischen Trägerwellen unterschiedlicher Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 enthält, und daß der zweite Zweig der Vorrichtung selektive Filtermittel enthält, welche eine der beiden Wellen reflektieren und die andere übertragen.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel ein Mehrschicht-Interferenzfilter enthalten.
19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel ein Gitter enthalten.

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