DE60019331T2 - Multischichtglasfaser mit strahlaufweitendem brechungsindexkonus - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Bauteile und dabei besonders, jedoch nicht ausschließlich, auf optische Fasern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zur Herstellung von optischen Bauteilen.
  • Es wird Bezug genommen auf 1, welche den Querschnitt durch eine optische Faser zeigt. Die optische Faser 2 besitzt einen Kern 6. Der Kern 6 ist umgeben von einem Innenmantel 4, welcher wiederum von einem Außenmantel 8 umgeben ist. Die Außenschicht der optischen Faser ist eine Hülle 10, die die optische Faser schützt. Die Brechungsindices des Kerns 6 und des Innenmantels 4 werden zusammen mit dem Kerndurchmesser so ausgewählt, dass ein Lichtstrahl hauptsächlich entlang des Kerns der Faser läuft. Die Größe des Lichtstrahls beim Durchlaufen des Kerns wird sowohl durch die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Index des Kerns 6 und dem des Innenmantels 4, als auch durch den Kerndurchmesser bestimmt. Die Strahlengröße wird gelegentlich als „Leuchtpuriktgröße" bezeichnet.
  • Optische Fasern sind weitverbreitet und oft ist es notwendig, zwei Fasern zu verbinden. Dazu kann eine Spleißtechnik, ein 1-Faser-Steckverbinder oder ein komplizierterer Steckverbinder mit einem Faser-Array verwendet werden, das mit einem anderen Faser-Array zu verbinden ist. Dokument WO9726571A beschreibt das Spleißen zweier optischer Fasern mit verschiedenen Kernradien. Die Ausbreitungsmodi werden an der Schnittstelle durch Reduzierung der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem des Innenmantels einer der Fasern angeglichen. Eine gute Verbindung zwischen den Fasern ist notwendig, um die Einfügungsverluste zu reduzieren. In der Praxis ist dies schwer zu erreichen, insbesondere dort, wo mehr als eine Faser beteiligt sind. Optische Fasern liefern oft Eingangssignale an Elemente, in denen das Licht von den Eingangsfasern über ein Zwischensystem zu einer oder mehreren Ausgangsfasern geleitet wird. Das Zwischensystem kann ein oder mehrere Komponenten wie eine Linse, ein Beugungsgitter oder ein strahlsteuerndes Element umfassen. Diese Produktart birgt dieselben Probleme.
  • Daher ist es das Ziel der Ausführung der vorliegenden Erfindung genau dieses Problem anzugehen.
  • Laut einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Gerät vorgesehen, das einen Kernanteil mit dem ersten Brechungsindex aufweist, wobei der besagte Kern aus Komponenten wie zum Beispiel einer Linse, einem Brechungsgitter oder einem strahlsteuernden Element besteht. Diese Produktart birgt dieselben Probleme.
  • Daher ist es das Ziel der Ausführung der vorliegenden Erfindung genau dieses Problem anzugehen.
  • Laut einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat diese eine optische Faser mit einem Kern, einem Innenmantel und einem auf diesem sitzenden und ihn umgebenden Außenmantel, wobei der Kern einen Kernbrechungsindex aufweist und so ausgerichtet ist, dass ein Lichtstrahl hindurch laufen kann und der Innenmantel besitzt einen Innenmantelbrechungsindex, der in einer ersten Region einen ersten Wert besitzt, der sich vom Kernbrechungsindex durch einen bestimmten Wert unterscheidet, so dass die optische Faser mit einer Standard-Telekomfaser kompatibel ist, und in einer angrenzenden Region mit einem freien Ende der vorerwähnten Faser, deren Brechungsindex durch Bestrahlung verändert wurde, ändert sich der Innenmantelbrechungsindex entlang der besagten Faser am freien Ende der Faser vom ersten Wert auf einen zweiten Wert, wobei der zweite Wert hauptsächlich auf den Kernbrechungsindex ausgerichtet ist, wodurch der effektive Durchmesser des Kerns gleich dem des Kerns plus dem des Innenmantels am freien Ende ist.
  • Der vorerwähnte Wert liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 0,0045.
  • Der Außenmantel hat vorzugsweise einen Brechungsindex, der im Wesentlichen dem vorher erwähnten ersten Wert des Brechungsindex entspricht.
  • In anderen Ausführungsformen hat der Außenmantel einen Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Wert des Brechungsindex.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Faser so ausgerichtet, dass sie am freien Ende eine Leuchtpunkgröße hat, die mindestens das Vierfache der Leuchtpunktgröße in der ersten Region beträgt.
  • Dabei sollte der Außendurchmesser der Faser über ihre gesamte Länge hinweg unverändert bleiben.
  • Die Faser kann eine Single-Mode Faser sein.
  • Der Brechungsindex ändert sich in geeigneter Weise vom ersten Wert zum zweiten Wert ungefähr entsprechend einer Gauß'schen Kurve.
  • Am freien Ende sollte die Faser vorzugsweise eine normalisierte Frequenz haben, die größer ist als die einer Standard-Telekomfaser.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zur Vergrößerung der Leuchtpunktgröße an einem freien Ende eines Teils einer optischen Faser, wobei die optische Faser einen Kern mit einem Kernbrechungsindex, einen Innenmantel mit einem Brechungsindex, der durch Einwirkung von Strahlung verändert wird, und einen Außenmantel aufweist. Bei diesem Verfahren wird der Innenmantel des Kerns an dem freien Ende so lange bestrahlt, bis der Innenmantelbrechungsindex dem Kernbrechungsindex entspricht.
  • Gemäß einem dritten Aspekt bietet die Erfindung eine Anordnung strahlsteuernder Elemente zur Steuerung von Licht aus einer Reihe von Eingangsfasern, von denen jede dem ersten Aspekt der Erfindung entspricht, wobei jedes zuvor erwähnte strahlsteuernde Element eine Breite hat, die als vorgegebenes Vielfaches der Leuchtpunkgröße der Eingangsfasern definiert ist, und wobei die Eingangsfasern ein Verhältnis von Abstand zu Leuchtpunktgröße haben, das so gewählt wird, dass es gleich dem vorgegebenen Vielfachen, multipliziert mit der Quadratwurzel aus 2, ist.
  • Der Innenmantel kann aus deuteriumbeladenem Germanosilikatglas bestehen.
  • In einem weiteren Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zu Erhöhung der normalisierten Frequenzparameters eines Teils einer optischen Faser, wobei die optische Faser einen Kern mit einem Kernbrechungsindex, einen Innenmantel mit einem Brechungsindex, der durch Einwirkung von Strahlung veränderbar ist, und einen Außenmantel hat. Bei diesem Verfahren wird der Innenmantel des Kerns so lange bestrahlt, bis der Innenmantelbrechungsindex dem Kernbrechungsindex entspricht.
  • Vorzugsweise sollten bei dem vorerwähnten Bestrahlungsvorgang unterschiedliche Strahlungsmengen über die Faserlänge angewendet werden, um einen Anstieg (Kegel) zu schaffen.
  • Die Höchstmenge der Strahlung sollte am besten an der Endregion der besagten Faser angewendet werden, wobei der Innenmantelbrechungsindex dem Kernbrechungsindex an einem freien Ende der Faser entsprechen sollte.
  • In einem weiteren Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der Offset-Kopplungstoleranz einer optischen Faser, wobei:
    Die optische Faser ein erstes und ein zweites Ende besitzt, wobei diese Faser einen Kern, einen lichtempfindlichen Innenmantel und einen Außenmantel besitzt, in welchem der Brechungsindex des Kerns größer ist als der des Innenmantels und der des Außenmantels, wobei die Faser mindestens an einem Ende mit einer Standard-Faser kompatibel ist;
    Die optische Faser an der Endfläche am anderen Ende der Faser mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, wobei sich der Brechungsindex des lichtempfindlichen Innenmantels entlang der Faser bis hin zur vorerwähnten Endfläche soweit erhöht, dass der Brechungsindex des Innenmantels an der Endfläche dem des Kerns entspricht, wobei der Kerndurchmesser an der besagten Endfläche auf den Durchmesser des Kerns plus dem Innenmantel vergrößert wird, wobei der normalisierte Frequenzparameter an der Endfläche größer ist als der einer Standard- Faser, und der vergrößerte normalisierte Frequenzparameter und Kerndurchmesser erhöhen die Leuchtpunktgröße und die Koppelungstoleranz.
  • Die elektromagnetische Strahlung sollte vorzugsweise UV-Laserstrahlung sein.
  • In einem weiteren Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der Offset-Koppelungstoleranz einer optischen Faser, wobei:
    Die optische Faser ein erstes und ein zweites Ende hat, wobei die Faser einen Kern, einen lichtempfindlichen Innenmantel und einen Außenmantel hat, wobei der Brechungsindex des Kerns größer ist als der des Innenmantels und der des Außenmantels, wobei die Faser mindestens an einem Ende mit einer Standard-Faser kompatibel ist;
    Die optische Faser an ihrer anderen Endfläche quer zum Faserverlauf mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, wobei der Brechungsindex des lichtempfindlichen Innenmantels sich entlang der Faser bis zur Endfläche soweit erhöht, dass an der Endfläche der Brechungsindex des Innenmantels dem des Kerns entspricht, wobei der Kerndurchmesser an der vorerwähnten Endfläche auf die Größe des Durchmessers des Kerns plus dem Innenmantel vergrößert wird, wobei der normalisierte Frequenzparameter an der Endfläche größer ist als der einer Standard-Faser und der vergrößerte normalisierte Frequenzparameter und Kerndurchmesser erhöhen die Leuchtpunktgröße und die Koppelungstoleranz.
  • Die elektromagnetische Strahlung sollte vorzugsweise UV-Laserstrahlung sein.
  • Auf der Grundlage der Erfindung kann ein optisches Bauteil bereitgestellt werden, wobei das optische Bauteil einen Kernabschnitt mit einem ersten Brechungsindex besitzt und der besagte Kern so ausgerichtet ist, dass ein Lichtstrahl hindurch laufen kann, und einen Außenabschnitt mit mehreren verschiedenen Brechungsindices entlang einer Längsachse des Bauteiles, wobei die besagten Brechungsindices dergestalt sind, dass der Lichtstrahl auf einen Verlauf entlang des vorerwähnten Bauteiles ausgerichtet ist.
  • Ferner bietet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteiles, wobei der vorerwähnte Außenabschnitt so aufgebaut ist, dass er empfindlich für eine vorgegebene Art elektromagnetischer Strahlung ist, wobei das Verfahren das Bestrahlen des besagten Außenabschnitts mit der vorgegebenen Art der elektromagnetischen Strahlung beinhaltet, um dadurch für die verschiedenen Brechungsindexe in diesem Außenabschnitt zu sorgen.
  • Darüber hinaus bietet die Erfindung einen Faserhalter, der mehrere optische Bauteile zusammenfasst, wobei der besagte Verbinder eine erste relativ dünne Platte und eine zweite relativ dünne Platte hat, wobei die besagte erste und die zweite Platte durch eine relativ dicke Schicht getrennt sind und die erste und die zweite Platte eine Vielzahl von Löchern zum Aufnehmen der besagten optischen Bauteile besitzen und die vorerwähnte dicke Schicht ebenfalls mehrere Löcher zum Aufnehmen der vorerwähnten optischen Bauteile besitzt, wobei die Löcher in der ersten und der zweiten Platte kleiner sind als die der dicken Schicht.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Umsetzung wird nun anhand eines Beispiels Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen. Dabei zeigt:
  • 1 einen Querschnitt durch eine bekannte optische Faser;
  • 2 stellt ein erstes Verfahren zur Ausführung der vorliegenden Erfindung dar;
  • 3 stellt ein zweites Verfahren zur Ausführung der vorliegenden Erfindung dar;
  • 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Verbinder oder ein Faser-Array, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
  • 5 zeigt ein mikro-elektromechanisches Bauteil, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
  • 6 ist eine grafische Darstellung der Koppelung gegenüber der Querabweichung für eine bekannte optische Faser und für eine die Erfindung verkörpernde Faser;
  • 7 ist eine grafische Darstellung der Koppelung gegenüber der Längsverschiebung für eine bekannte optische Faser und für eine die Erfindung verkörpernde Faser;
  • 8 ist eine grafische Darstellung der Koppelung gegenüber der Linsenneigung für eine bekannte optische Faser und für eine die Erfindung verkörpernde Faser;
  • 9 zeigt einen Wellenleiter, der die Prinzipien der Erfindung verkörpert;
  • 10a zeigt einen Multiplexer, der die Erfindung verkörpert;
  • 10b zeigt einen Demultiplexer, der die Erfindung verkörpert;
  • 11 zeigt das Vorgehen beim Befestigen einer Vorlauffaser an einem Wellenleiter;
  • 12 zeigt, wie ein Plattewellenleiter und ein Kanalwellenleiter mit einander verbunden werden können;
  • 13 zeigt die angestrebte Form der Feldverteilung;
  • 14 zeigt die Lichtempfindlichkeitseigenschaften eines Beispiels;
  • 15 zeigt ein Beispiel eines Faserindex am Ende eines Kegel
  • 16 zeigt eine unerwünschte Form der Feldverteilung;
  • 17 zeigt einen Querschnitt durch eine Beispielfaser;
  • 18 bis 20 zeigen grafische Darstellungen der normalisierten Brechungs-Indexänderungen in Abhängigkeit vom Radius;
  • 21 zeigt ein Beispiel für die Brechungsindices an Punkten im Kern, im Innen- und im Außenmantel;
  • 22 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung von strahlsteuernden Elementen und
  • 23 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung von strahlsteuernden Elementen mit konfokalen Linsen.
  • Zuerst wird auf 2 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Faser 12 hat einen Kern und einen Innenmantel, wie in 1 dargestellt. Der Kern besteht aus Quarz, der mit Aluminiumoxid oder einer anderen, den Brechungsindex ändernden Dotiersubstanz dotiert ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der Kern aus jedem geeignetem Material bestehen kann. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Kern jedoch nicht lichtempfindlich. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Kern in einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lichtempfindlich sein kann.
  • Der Innenmantel besteht ebenfalls aus Quarz, der mit einem lichtempfindlichen Material wie Germanium und eventuell Bor, und/oder Fluorid dotiert ist, um den Nettobrechungsindex der Hülle in den erforderlichen Anfangsbrechungsindex zu ändern. Es wird darauf hingewiesen, dass in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Hülle aus jedem geeigneten lichtempfindlichen Material bestehen kann, zum Beispiel aus Phosphor oder einem beliebigen anderen Material. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Hülle lichtempfindlich gegenüber ultravioletter Strahlung. In alternativen Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann die Hülle jedoch lichtempfindlich gegenüber anderen Frequenzen oder auf andere Strahlungsarten reagieren. Um Schwierigkeiten zu vermeiden, sollte der Mantel vorzugsweise nicht empfindlich auf die Strahlungsfrequenz reagieren, welche entlang des Kerns der optischen Faser laufen soll.
  • Aus 2 wird ersichtlich, dass die Faser eine Längsausrichtung hat, die durch die Achse 14 dargestellt ist. Die Endregion 11 der Faser 12 wird senkrecht zur Längsachse 14 der Faser 12 mit UV-Strahlung bestrahlt. Dies ist durch die mit 16 gekennzeichneten Pfeile dargestellt.
  • Die UV-Strahlung kann aus jeder geeigneten Quelle kommen. In bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung wird die UV-Strahlung jedoch von einem Laser 18 bereitgestellt. Der Laser 18 kann jeder beliebige geeignete Laser sein, in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist es jedoch ein Kupferdampflaser. Man hat herausgefunden, dass der Kupferdampflaser anderen Laserarten vorzuziehen ist, da er eine hohe Durchschnittsleistung, aber eine mittlere Spitzenleistung hat. Frequenzverdoppelte Kupferdampflaser sind dazu in der Lage, weil sie über eine relative hohe Impulsfolgefrequenz verfügen. Die Firma Oxford Lasers stellt beispielsweise solche Kupferdampflaser her.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht die nach dem Zeitmittelwert angeordnete Verteilung der UV-Strahlung in erster Ordnung annähernd einer Gaußschen Verteilung. Mit anderen Worten nimmt das Ende der Faser 12 die größte Menge an UV-Strahlung auf, wobei diese von der Faser 12 aufgenommene Strahlung mit zunehmendem Abstand vom Faserende entsprechend der Gaußschen Verteilung abnimmt. Alternativ kann jede andere Verteilung verwendet werden, die vorzugsweise einen Strahl mit verjüngtem Mittelteil und ein gegen Null gehendes Strahlenende aufweist. Eine Kosinus-Intensitätsänderung oder ein Teil der Kosinus-Form kann zum Beispiel verwendet werden. Der Strahl kann die Form einer Parabel haben. Der gegen Null gehende Anstieg kann linear, nichtlinear, steil oder flach sein. Ähnlicherweise kann der Anteil rund um die höchste Intensität linear, nicht linear, steil oder flach sein.
  • Durch die Bestrahlung der Faser mit UV-Licht ändert sich die Molekularstruktur einiger Moleküle im Mantel. Durch die Änderung verändern sich die Eigenschaften des Mantels und insbesondere auch sein Brechungsindex. Dies geht aus der grafischen Darstellung in 2 hervor, welche den lokalen Brechungsindex des Kerns und des Innenmantels im Verhältnis zum Brechungsindex des Mantels in einiger Entfernung vom Faserende zeigt. Am Ende 20 der Faser 12, wie die Darstellung zeigt, ist die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem des Mantels sehr klein, während sie im weiteren Verlauf der Faser relativ groß ist und in der Größenordnung von 0,0045 liegt. Da die Brechungsindexdifferenz am Faserende relativ klein ist, vergrößert sich die Leuchtpunktgröße. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der wirksame Durchmesser des Kerns so weit vergrößert wird, dass er gleich dem des Kerns plus dem Innenmantel ist.
  • Durch die Vergrößerung der Leuchtpunktgröße können eine Reihe von Vorteilen erreicht werden. Insbesondere können die Fasern, wenn die Faser 12 mit einer anderen Faser verbunden wird, aufgrund der größeren Leuchtpunktgröße einfacher verbunden werden, ohne dass dadurch inakzeptable Einfügungsverluste entstehen. Das bedeutet, dass die Toleranzen effektiv erhöht werden, wodurch die Montagekosten sinken und die Zuverlässigkeit der Verbindung steigt. Wie Fachleute bereits wissen ist es vorteilhaft, das Glas vor der UV-Bestrahlung in einer Form von Hochdruckwasserstoff zu tränken, da die Präsenz von in die Glasmatrix diffundiertem Wasserstoff bekanntermaßen die Lichtempfindlichkeit des Glases in beachtlichem Maße erhöht und damit sowohl die Änderungsrate des Brechungsindex als auch die größtmögliche Änderung des Brechungsindexes. Dafür sollte vorzugsweise das Isotop des Wasserstoff, Deuterium, verwendet werden, um das Einbringen eines übermäßigen Wasser-Peaks zu vermeiden, der bei Telekom-Wellenlängen um die 1500 nm zu einer erhöhten Absorption führen würde. Dies ist wichtig, um übermäßige Einfügungsverluste zu minimieren, die durch die Verwendung des Bauteiles in optischen Systemen entstehen würde.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Faser nur auf einem Teil ihres Umfangs bestrahlt. In alternativen Ausführungsformen kann die Faser jedoch auf allen Seiten bestrahlt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man den Laserstrahl beziehungsweise die Faser bewegt oder dreht. Der Brechungsindex der Faser kann gleichförmig oder ungleichförmig geändert werden. Im letzteren Fall kann eine ellipsenförmige Verteilung oder jede andere geeignete Verteilung erreicht werden.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Faser eine Einzelmodus-Faser. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann sie jedoch auch eine Mehrfachmodus-Faser sein.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Leuchtpunktgröße um das Vierfache vergrößert. In alternativen Ausführungsformen kann die Leuchtpunktgröße auch weniger oder mehr vergrößert sein.
  • Die UV-Strahlung soll einen derartigen Anstieg des Brechungsindexes des Mantels bewirken, dass sich der fundamentale Modus adiabatisch ausbreitet, während er entlang der Abschrägung läuft, um am Faserende ein Nahfeld mit einer im Vergleich zu einer unbehandelten Faser deutlich größeren Leuchtpunktgröße zu erzeugen. In einigen Versuchsergebnissen muss die Querabweichung zwischen zwei Standardfasern (mit „Nulldispersion" bei 1300 nm), die zu 0,2 dB Einfügungsverlust führt, kleiner als 1,16 Mikrometer sein. Im Gegensatz dazu kann die Querabweichung bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Leuchtpunktgröße um den Faktor 4 vergrößert wird, bei gleichem Einfügungsverlust circa 4,2 Mikrometer betragen. Mit anderen Worten können die zwei Fasern in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Richtung senkrecht zur Längsachse um 4,2 Mikrometer verschoben sein und trotzdem einen Verlust von nur 0,2 dB aufweisen.
  • Es wird nun auf 6 Bezug genommen, die eine grafische Darstellung der Koppelungseffizienz im Verhältnis zur Querabweichung in Mikrometern für den lokalen oder den fundamentalen Modus am Ende der Abschrägung (Kegels) zeigt. Es werden die Ergebnisse für verschiedene Außendurchmesser des Innenmantels gezeigt. Die Kurve für Vaußen = 2 zeigt die Leistung einer unveränderten Standardfaser. Bei Fasern mit einem anderen Innenmantel-Außendurchmesser wurde der Index des Innenmantels vergrößert, so dass er dem des Kerns entspricht.
  • Bekanntermaßen wird der normalisierte Frequenzparameter V einer Faser festgesetzt mit V = 2π·NA·α/λ, wobei α der Kerndurchmesser, λ die Wellenlänge des Lichts in der Faser und NA die numerische Apertur definiert durch
    Figure 00080001
    ist, wobei nCO für den Kernbrechungsindex und nCL für den Mantelbrechungsindex steht.
  • Vaußen wird hier definiert als
    Figure 00090001
    wobei:
    q = Durchmesser der Innenmantel-/Außenmantelgrenze
    nCO = Kernbrechungsindex, und
    nOCL = Brechungsindex des Außenmantels ist.
  • Im Falle einer unveränderten Standardfaser muss der Fehler in der Queranordnung unter 1,2 Mikrometer liegen, um, wie vorstehend erörtert, die Einfügungsverluste bei 0,2 dB oder geringer zu halten. In der Praxis kann dies für Einzelfaserverbinder erreichbar sein, dürfte jedoch für Multi-Faserverbindungen, die in eindimensionalen Arrays angeordnet sind, schwierig, und für zweidimensionale Faser-Arrays praktisch unmöglich sein. Für den größten Wert von Vaußen, gleich 14, beträgt die vergleichbare Leuchtpunktgröße ungefähr 20 Mikrometer (im Gegensatz zu circa 5 Mikrometer bei der Standardfaser), und die Toleranz in der Queranordnung steigt auf 4,2 Mikrometer bei gleichem Einfügungsverluste von 0,2 dB. Eine gleichwertige, unveränderte Standardfaser würde bei einer solchen Querabweichung einen Einfügungsverlust von circa 2,7 dB aufweisen, welcher unakzeptabel wäre.
  • Die grafische Darstellung in 6 zeigt daher verschiedene Werte für Vaußen. Wie aus der grafischen Darstellung ersichtlich ist, erhöht sich bei einer Zunahme von Vaußen die Toleranz in der Querposition.
  • Die größere Querabweichung, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zulässig ist, bedeutet, dass sich die Toleranzen des Systems im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich erhöhen. Dadurch können die Fasern einfacher verbunden werden, da weniger Präzision notwendig ist.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 7, welche eine Grafik der Koppelungseffizienz im Verhältnis zur Längsabweichung zeigt. Die Standardfaser, dargestellt mit einer durchgezogenen Linie, ist eine unveränderte Faser, während die strichlierte Linie die Leistung einer Faser im Sinne der vorliegenden Erfindung mit einem Vaußen Wert von 14 zeigt. Die ungefähre Größe des Leuchtpunktes ist 20 Mikrometer. Bei unveränderten Fasern mit einer Leuchtpunktgröße von circa 5,1 Mikrometern sollte der Längsausrichtungsfehler weniger als 30 Mikrometer betragen, um die Einfügungsverluste unter 0,2 dB zu halten. Bei Multifaser-Verbindern ist dieser Verschiebungsfehler die Länge des Luftzwischenraums zwischen zwei gegenüberliegenden Bandfasern. Wie aus der grafischen Darstellung ersichtlich ist, erhöht sich die Toleranz bei einer Leuchtpuriktgröße von 20 Mikrometer in der Längsposition auf 350 Mikrometer, bei dem gleichen Einfügungsverlust von 0,2 dB. In einem Multifaser-Verbinder bestünde der Nettoeffekt in der Verringerung der Variabilität des Verbindungsverlustes zwischen aufeinanderfolgenden Gegenteilen, in der Verringerung des Durchschnittsverlusts und auch in der Verlängerung der Lebensdauer des Bauteile hinsichtlich der Anzahl der Verbindungen und Trennungen, die vorgenommen werden können, bevor es verschleißt und der Verbindungsverlust unakzeptabel wird.
  • In optischen Systemen nach der bekannten Technologie, in denen zwischen Eingangs- und Ausgangsfaser ein Zwischensystem gesetzt wird, muss die Längsausrichtung der Fasern oft nachreguliert werden, um Brennweitenfehler auszugleichen. Wie aus der grafischen Darstellung in 7 ersichtlich ist, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Notwendigkeit der Überwachung und Nachregulierung der Längsausrichtung in solchen Systemen aufheben. Die Systeme sind möglicherweise weniger empfindlich gegenüber chromatischer Abberation, beziehungsweise gegenüber gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Temperaturänderungen.
  • Es wird Bezug genommen auf 8, welche die Linsenneigung im Verhältnis zur Koppelungseffizienz für eine Standardkataloglinse mit einer Brennweite von 25 mm zeigt. Die Linsenneigung ist der Wert, um den die Rotationsachse der Symmetrie der Linse von der Längsachse eines Fasereingangs in eine Linse abweicht. Die Linse wird im Zwischensystem der vorstehend erörterten optischen Systeme verwendet. Die Berechnung geht von einem reflektiven 2f-System für die Zwischenanordnung aus. Es wird darauf hingewiesen, dass die Leuchtpunktgröße von 5,5 Mikrometer die Leuchtpunktgröße einer Standardfaser ist. Die Leuchtpunktgrößen von 11, 16,5 und 22 Mikrometern werden mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreicht. Es ist ersichtlich, dass die Standardfaser über die schlechteste Koppelungseffzienz verfügt, die sich mit zunehmender Linsenneigung weiter verschlechtert. Der Strahl mit einer Leuchtpunktgröße von 22 Mikrometern verfügt über die beste Koppelungseffizienz bei einem Verbindungsverlust von nur circa 0,1 dB. Wie ersichtlich ist, fuhrt die vierfache Vergrößerung der Leuchtpunktgröße zu einer vierfachen Verringerung der Strahldivergenz, wodurch das optische strahlsteuernde wesentlich unempfindlich gegenüber einer linsenbedingten Abberation, sowie gegenüber einer Neigung von Linse und Faser-Array wird. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, verschwindet der fundamentale Verlustnachteil; dies wird über einen weiten Bereich von Linsenneigungen aufrechterhalten und damit wird auch die Notwendigkeit einer Überwachung und Korrektur der Linsenneigung aufgehoben.
  • Es ist in der Halbleitertechnologie bekannt, dass die Leuchtpunktgrößenumwandlung durch physische Verjüngung des Wellenleiterkerns mittels Standardherstellungsverfahren erreicht werden kann, und dies wird genutzt, um die Ausrichtungstoleranz für die Kopplung zwischen Lasern und Verstärkern und Einzelmodus-Fasern zu erhöhen. In der Fasertechnologie führt eine Verjüngung der Kerngröße jedoch zu einer Änderung des Faseraußendurchmessers. Es ist schwierig, dies genau zu kontrollieren. Im Gegensatz dazu kann die Verjüngung bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch eine Änderung des Brechungsindex erreicht werden. In Formen der vorliegenden Erfindung sollten die Außendurchmesser der Fasern daher vorzugsweise unverändert bleiben. Das bedeutet, dass die Fasern in ein- oder zweidimensionale Faser-Arrays oder Verbinder am behandelten Ende der Faser eingebaut werden können. Das bedeutet auch, dass die Faser zum Spleißen mit normalen Fasern oder Standardfasern sowohl am unveränderten als auch am modifizierten Ende kompatibel ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass in den Ausführungen der vorliegenden Erfindung die gleiche Wirkung auf die Verjüngung der Kerngröße erreicht werden kann. Dafür kann es notwendig sein, dass der Kern eine zentrale, lichtempfindliche Region und eine äußere, nicht lichtempfindliche Region, die von einem lichtempfindlichen Innenmantel umgeben ist, umfasst. Der Brechungsindex des Innenmantels in der unbehandelten Region gleicht im Wesentlichen dem der Außenschicht des Mantels. Die Wirkung der Bestrahlung würde darin bestehen, den Brechungsindex des Innenmantels beträchtlich zu erhöhen, bis er den des Außenkerns erreicht hat, und den Brechungsindex des Innenkerns über den Wert des Index des Außenkerns zu erhöhen.
  • In den bekannten Systemen, bei denen Aufwärtskegel und Abwärtskegel durch Veränderung der Kerngröße erreicht werden, birgt der Aufwärtskegel im Vergleich zum Abwärtskegel Vorteile, insbesondere in ein- und zweidimensionalen Faser-Arrays, die zur Steuerung von Strahlen verwendet werden. Da sich die Kerngröße unter ihren normalen Wert reduziert, um einen Abwärtskegel zu erzeugen, breitet sich das infinitesimate Feld rasch aus. Das führt zu einer erhöhten Anfälligkeit für Nebensprechen von auf angrenzende Fasern gerichteten Strahlen. Die Gesamtstrahlenform entspricht auch immer weniger der Gaußschen Verteilung.
  • Dementsprechend ist die Strahldivergenz bei gleicher Leuchtpunktgröße im kollimierten Fernfeld sehr viel größer. Dadurch wird die Ausbreitungsdistanz innerhalb eines strahlsteuernden Systems und damit die Skalierbarkeit eingeschränkt. Das Gegenteil bewirkt ein Aufwärtskegel der Kerngröße, was eine Vergrößerung der Kerngröße darstellt. Ein Faser-Abwärtskegel der Kerngröße ist einfach herzustellen, während ein Faser-Aufwärtskegel sehr schwierig herzustellen ist. Im Gegensatz dazu ermöglicht es das in Ausführungsformen der Erfindung vorgeschlagene Verfahren, die gleiche Wirkung bei einem Aufwärtskegel der Kerngröße auf einfache Weise zu erreichen. Wie nachfolgend detailliert erörtert werden wird, bringt dies Vorteile für die Strahlsteuerung und die Anwendung von Multifaserverbindern, sowie für optische Bauteile mit dem vorgenannten Zwischensystem. Um eine Brechungsindex-Verjüngung in der Faser zu erreichen, wurde die Thermodiffusion der Kerndotiersubstanz eingesetzt. Es ist jedoch schwierig diese Technik auszuführen, und die erzielten Verbesserungen sind nur gering. Die Leuchtpunktgröße kann typischerweise um den Faktor 2 vergrößert werden, aber nicht mehr als das.
  • Im Gegensatz dazu ermöglichen es Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die Indexänderung einfach und soweit zu kontrollieren, dass die Leuchtpunktgröße um einen relativ großen Faktor vergrößert werden kann. Es ist vorstellbar, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Vergrößerung der Leuchtpunktgröße um den Faktor 5 oder mehr ermöglichen.
  • Ein weiterer Vorteil von Ausführungen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch Änderung des relativen Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Innenmantel die wirksame Kerngröße der Faser erhöht und damit das „Nebensprechen" in einem Faser-Array reduziert wird. Das Array kann dabei eindimensional oder zweidimensional sein.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das Profil des UV-Lichtes, das in die Faser in 2 eingespeist wird, so geändert werden kann, dass jedes gewünschte Profil für die Brechungsindexdifferenz geschaffen werden kann. Die Brechungsindexdifferenz kann sich zum Beispiel am Ende der Faser erhöhen oder entlang des Faserabschnitts homogen bleiben. Dies wird durch die Steuerung der Intensität der UV-Strahlung auf verschiedenen Abschnitten der Faser gesteuert.
  • In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Verteilung von lichtempfindlichen Partikeln im Quarz so gesteuert werden, dass homogene UV-Strahlung verwendet werden kann, um das nötige Brechungsindexprofil herzustellen. Alternativ kann die Verteilung der Dotiersubstanzen eine Längsabweichung beziehungsweise eine Radial- oder Querabweichung aufweisen.
  • Es wird Bezug auf 3 genommen, welche eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Ausführungsform hat die Faser 12 einen Kern 22 und einen Innenmantel 24. UV-Licht trifft auf das Ende der Faser 12 und verläuft parallel zur Längsachse 14 der Faser. Aufgrund der Absorption des auftreffenden Lichts durch die Germaniummoleküle ist die Intensität des UV-Lichts somit am Faserende am größten und nimmt ab, wenn sich das UV-Licht in der Faser ausbreitet. Mit dieser Technik ist es möglich, zwischen Kern und Innenmantel am Faserende die kleinste Brechungsindexdifferenz zu haben und eine zunehmende Brechungsindexdifferenz weiter entfernt vom Faserende.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 4, welche eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines ein- oder zweidimensionalen Faser-Arrays oder eines Faserverbinders zeigt. Die Struktur besteht aus einer ersten Außenschicht 26 und einer zweiten Außenschicht 28. Diese Außenschichten sind relativ dünn und haben üblicherweise eine Dicke zwischen 100 und 600 Mikrometer. Es wird darauf hingewiesen, dass in alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung andere Dicken für diese Schichten verwendet werden können. Die Außenschichten 26 und 28 sind Keramikplättchen. Der keramische Werkstoff bietet die Vorteile, dass er eine geringe Wärmeausdehnung hat und eine hohe Packungsdichte aufweist. Die zwei sehr dünnen Plättchen 26 und 28 werden gleichzeitig und zusammen durchbohrt. Genauer gesagt, es werden Löcher in diese Plättchen gebohrt, durch welche die optischen Fasern verlaufen. Die Keramikplättchen werden mit hoher Genauigkeit durchbohrt, zum Beispiel mit einem Kupferdampflaser der Firma Oxford Laser. Dieser Laser erreicht typischerweise eine Zentrierungsgenauigkeit von 2 Mikrometern für eine Gruppe von Löchern, die in einen 25 mm dicken, rechteckigen Schichtträger gebohrt werden. Die Genauigkeit des Lochdurchmessers nimmt mit der Dicke des Keramikplättchens ab. Zum Beispiel beträgt die Genauigkeit zwischen plus/minus 0,25 Mikrometer bei einem 100 Mikrometer dicken Plättchen und plus/minus 3 Mikrometer bei einem Plättchen mit einer Dicke von 600 Mikrometer.
  • Zwischen den zwei Schichte 26 und 28 befindet sich eine Mittelschicht 29. Die Mittelschicht 29 besteht ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff. In das Keramik wurden Löcher gebohrt, durch welche die Fasern geführt werden. Die Mittelschicht ist typischerweise wesentlich dicker als die Außenschichten und kann zum Beispiel in der Größenordnung von einem Millimeter liegen. Die in die Mittelschicht gebohrten Löcher sind typischerweise größer als die Löcher in den Außenschichten. Die Außenschichten dienen deshalb der Kontrolle der Querposition der Fasern, während die Mittelschicht dazu dient, ein Neigen der Fasern zu verhindern. Da die Leuchtpunktgröße aufgrund der Index-Verjüngung größer wird, kann die Notwendigkeit der Genauigkeit der Position und der Größe der Löcher in den beiden Schichten 26 und 28 reduziert werden. Insbesondere ist es nun möglich, ein zweidimensionales Array mit der nötigen Genauigkeit zu liefern. Bei herkömmlichen Fasern würde zum Beispiel die Genauigkeit des Lasers der Firma Oxford Lasers nicht hoch genug sein, um die nötige Genauigkeit für einen 32 mal 32 Faserschalter zu erreichen.
  • Durch die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreichte Vergrößerung der Leuchtpunktgröße um den Faktor 4 entspricht dies jedoch einem Zentrierungsfehler von plus/minus 0,5 Mikrometer für eine Standardfaser. Dadurch verbleibt ein weiterer Spielraum für Nichtkonzentrizität, Außendurchmesser und andere Fehler. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen es somit, zweidimensionale Faser-Arrays für Schalter- und Verbinderanwendungen oder jedes andere optische Bauteil mit einem Zwischensystem bereitzustellen.
  • Durch die Verwendung der sehr dünnen Plättchen für die Außenschichten ist es möglich, die Quergenauigkeit zu gewährleisten. Die Mittelschicht ist somit in der Lage, das Abkippen zu verhindern.
  • Die verringerte Empfindlichkeit bezüglich der Ausrichtungsgenauigkeit von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass mit Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zur herkömmlichen Technik größere Arrays erreicht werden können.
  • Es wird nun auf 5 Bezug genommen, welche einen mikroelektromechanischen Systemschalter zeigt, der die vorliegende Erfindung günstig verkörpern kann. Große optische Schalter werden in Telekommunikationsnetzen allgemein zur Wiederherstellung und für den Wellenlängen-Verteiler verwendet. Es wurde vorgeschlagen, dass für eine große Anzahl von Anschlüssen nur „strahlsteuernde" Schalter mit einem freien Ende ausreichend geringes Nebensprechen gewährleisten können, um homodyne Störungsgeräusche zu unterdrücken. Mikroelektromechanische Systeme sind ansprechend, da sie in Serie und damit kostengünstig hergestellt werden können. Es gibt jedoch Probleme hinsichtlich des Verpackens der Elemente. Mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist man in der Lage, dieses Problem anzugehen.
  • Ein mikroelektromechanisches System besteht aus mehreren Eingängen 34, die typischerweise optische Fasern sind, und einer Vielzahl von Ausgängen 36, die ebenfalls typischerweise optische Fasern sind. Die Eingangs- beziehungsweise Ausgangsfasern 34 und 36 verkörpern die vorliegende Erfindung.
  • Der Schalter selbst besteht aus einer Anordnung von Spiegeln. Die Anzahl der Spiegel in der Anordnung entspricht der Anzahl der Eingänge 34 multipliziert mit der Anzahl der Ausgänge 36.
  • Die Anzahl der Eingänge entspricht typischerweise der Anzahl der Ausgänge. Die Spiegel können zwischen zwei Positionen hin und her bewegt werden: einer flachen Position wie bei Spiegel 30 und einer Schaltposition wie bei Spiegel 32. Wenn sich Spiegel 32 in der Schaltposition befindet, wird ein Eingangsstrahl auf den entsprechenden Ausgang gerichtet. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Lage, die Toleranz gegenüber Fehlern in der Stellung der Fasern und Mikrolinsen zu erhöhen. Dementsprechend können mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Anordnungen in einer Größe von 32 mal 32 oder größer realistisch erreicht werden.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung würden sowohl die Eingänge als auch die Ausgänge zum Ende der Faser hin wirksam erweitert werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung würden auch eine Verringerung der Strahlendivergenzen und damit ein besseres Kollimationssystem ermöglichen. Vor allem wird eine Linse zwischen dem Ausgang jeder Eingangsfaser und den Spiegeln angebracht. Ferner wird eine Linse am Eingang zu jeder von den Spiegeln ausgehenden Faser angebracht. Dazu kann eine Grin-Linse verwendet werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch in anderen Konfigurationen des mikroelektromechanischen Schalters, die zweidimensional sind, verwendet werden. Mit anderen Worten würde eine parallele Schicht von Eingängen, Ausgängen und Spiegeln dafür angebracht werden. Das liegt darin begründet, dass mit der Anordnung wie in 4 gezeigt ein genaues zweidimensionales Faser-Array erreicht werden kann.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass durch die Vergrößerung der Leuchtpunktgröße, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzielt wird, genaue zweidimensionale Faser-Arrays durch Verwendung von anderen Anordnungen als der in 4 dargestellten erreicht werden können.
  • Wie aus den vorausgehenden Erörterungen erkennbar ist, gibt es einige verschiedene Situationen, in denen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können bei optischen Fasern angewendet werden, die mit den modifizierten chemischen Aufdampfungsverfahren hergestellt wurden. Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch bei Fasern verwendet werden können, die nach irgendeinem anderen geeigneten Verfahren hergestellt wurden.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können den Sättigungseffekt nutzen. Mit anderen Worten, das auf das Faserende auftreffende UV-Licht verändert den Brechungsindex um einen bestimmten Wert und darüber hinaus ist keine weitere Änderung des Brechungsindexes möglich, unabhängig davon, ob die Faser weiter bestrahlt wird oder nicht.
  • Durch Ausnutzung dieses Effekts ist es möglich, den nötigen Brechungsindex in einem gegebenen Abstand vom Faserende durch Bestrahlen in einer vorgegebenen Zeit zu erreichen, ohne den Brechungsindex am Ende um mehr als den gegebenen Faktor zu verändern. Dieser Effekt ist insbesondere bei einer Ausführungsform wie in 3 nützlich, kann aber auch in einer Ausführungsform wie in 2 verwendet werden.
  • Formen der vorliegenden Erfindung wurden im Zusammenhang mit einer Faser beschrieben. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können jedoch auch auf andere Wellenleiterarten angewendet werden, wie in 9 anhand eines Beispiels gezeigt wird.
  • 9 zeigt einen dielektrischen Plattenwellenleiter mit einer ersten Schicht 40, einer zweiten, mittleren Schicht 42 und einer dritten Schicht 44. Die Schicht 42 entspricht dem Kern der Faser, der in den vorherigen Ausführungen gezeigt wurde, während die Schichten 40 und 44 dem Innenmantel entsprechen. Die Schichten 40, beziehungsweise 44 können mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden, um die Brechungsindexdifferenz bei einem Teil oder der gesamten Länge des Wellenleiters zu verändern. Es wird darauf hingewiesen, dass der Lichtstrahl durch die Schicht 42 laufen wird.
  • Dieselben Prinzipien können auf jeden anderen Wellenleiter angewendet werden, nicht nur auf die in 9 gezeigten Plattenwellenleiter.
  • Formen der vorliegenden Erfindung können daher die Quertoleranz verbessern. Dadurch wird die Verbindung einer Faser mit anderen Fasern oder Verbindern entsprechend der Ausführungen der vorliegenden Erfindung vereinfacht. Die anderen Fasern können ebenfalls Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung sein.
  • Zur vorliegenden Erfindung gehörende Verfahren sind besonders vorteilhaft, wenn sie auf eine Anordnung von Verbindern angewandt werden. Die Querabweichungstoleranz wird durch Ausführungen der vorliegenden Erfindung erhöht.
  • Dadurch ist es einfacher, ein- oder zweidimensionale Anordnungen von Verbindern herzustellen. Zusätzlich werden die Herstellungskosten gesenkt, da die Anordnungen weniger störungsanfällig sind.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, eine Anschlussfaser mit dem Ende eines Siliziumwellenleiters 100 zu verbinden, wie in 11 dargestellt ist. Aufgrund der verringerten Störungsanfälligkeit gegenüber Querabweichungen oder Längsabweichungen ist es einfacher, den Wellenleiter mit dem Faserschwanz zu verbinden. Der Wellenleiter hat drei „Kerne" oder Kanäle 104, mit denen die Kerne 106 der Fasern verbunden sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die Kerne mit gepunkteten Linien dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Praxis jede Anzahl von Kernen bereitgestellt werden kann und nicht nur drei. Die Kanäle sind von einer Hüllschicht 102 umgeben.
  • Wie zuvor schon besprochen wurde, können durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zweidimensionale Faser-Arrays einfacher erstellt werden, da die Toleranz gegenüber Positionierungsfehlern der Fasern durch Ausführungen der vorliegenden Erfindung reduziert wird.
  • Ausführungen der vorliegenden Erfindung können mit Wellenlängen-Multiplexern oder Demultiplexern verwendet werden. Insbesondere 10a stellt schematisch einen Wellenlängen-Multiplexer 50 dar, der einen ersten Fasereingang 52 und einen zweiten Fasereingang 54 empfängt und einen Einzelausgang 56 bereitstellt. Jede der Fasern ist mit einer entsprechenden Linse 51 verbunden. Zwei der Linsen 51 lenken das Licht von den Eingangsfasern zu einem Beugungsgitter, das das Licht an eine Linse, die mit der Ausgangsfaser 56 verbunden ist, weiterleitet. Durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können wirksamere Multiplexer erzielt werden als mit dem bisherigen Stand der Technik. Insbesondere die verminderte Empfindlichkeit gegenüber Querabweichungen bedeutet, dass der Einfügungsverlust zwischen einer der Eingangsfasern 52 oder 54 und der Ausgangsfaser 56 reduziert wird. Die Kanalbandbreite kann ebenfalls erweitert werden. Die Längstoleranz wird ebenfalls verbessert.
  • 10b ist eine schematische Darstellung eines Demultiplexers 58, der die vorliegende Erfindung verkörpert. Der Demultiplexer hat einen Fasereingang 60 und zwei Ausgangsfasern 62 und 64. Der Demultiplexer 58 hat zwei Demulitplexerausgänge, einen an der Ausgangsfaser 62 und den anderen an der Ausgangsfaser 64. Der Demultiplexer beinhaltet ein ähnliches System aus Linsen und Beugungsgittern wie das in 10a gezeigte. Wie auch beim Multiplexer 50 ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Erreichen eines, im Vergleich zum Stand der Technik, deutlich wirksameren Demultiplexers. Auch das liegt daran, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber Querabweichungen haben und damit, im Vergleich mit dem derzeitigen Stand der Technik, eine größere Koppelungseffizienz, beziehungsweise eine verminderte Notwendigkeit für Genauigkeit zur Folge haben. Auch hier ist die Kanalbandbreite erhöht und die Längstoleranzen sind verbessert.
  • Wie im Vorfeld schon besprochen, sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei mikroelektromechanischen Systemen besonders gut einsetzbar und ermöglichen im Besonderen das Erstellen größerer Arrays als die mit aktuellen Fasern erreichbaren. Wie bereits erwähnt sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung deutlich weniger empfindlich gegenüber einer Neigung der Linse.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch die Längstoleranzen im Zusammenhang mit dem Verbinden zweier Fasern oder dem Verbinden zweier Wellenleiter vermindern.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mit Anordnungen mit hoher Packungsdichte verwendet werden. Um eine hohe Packungsdichte zu erreichen, können die Fasern von Wellenleitern, die die vorliegende Erfindung verkörpern, mindestens eine enge Krümmung haben, um die Faser oder den Wellenleiter in ein beschränktes Feld falten zu können. Je enger die Krümmung ist, desto größer ist die Packungsdichte. Bei Krümmungen sollte der Kern einen höheren Brechungsindex haben. Dies kann durch Ausführungen der vorliegenden Erfindung erreicht werden, bei denen mittels UV-Bestrahlung bei den Krümmungen ein hoher Brechungsindex im Kern erzielt werden kann.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können mit Wellenleiter-Arrays eingesetzt werden. Ein hoher Brechungsindex im Mantel kann vor, beziehungsweise hinter Krümmungen vorgesehen werden, um der Größenredzierung des Strahls, ausgelöst durch einen hohen Kernbrechungsindex an der Krümmung, entgegenzuwirken. Dieser höhere Index im Mantel kann an der Krümmung oder, alternativ, unterhalb der Krümmung liegen. Dieser kann dazu genutzt werden, Koppelungseffekte zu unterdrücken, die durch die Krümmung, an der der Einzelmodus-Wellenleiter möglicherweise als Mehrfachmodus-Wellenleiter fungiert, ausgelöst wurden. Die Änderung im Brechungsindex kann in der Ebene durchgeführt werden, in der sich der Wellenleiter krümmt. Die Kerngröße kann entsprechend angepasst werden.
  • 12 zeigt schematisch einen Teil eines Kanalwellenleiters 100, für bessere Übersichtlichkeit in gepunkteten Linien, wie auch in 11 verbunden mit einem Plattenwellenleiter, wie auch in 9 gezeigt. Der Kanal 104 des Kanalwellenleiters ist nur aus Gründen der Deutlichkeit dargestellt. Die Strahlbreite des Kanalwellenleiters, die in vertikaler Richtung gemessen wird, ist typischerweise kleiner als die entsprechende Strahlbreite der mittleren Schicht des Filmwellenleiters, daher können Fehlanpassungsverluste durch eine Vergrößerung der Leuchtpunktgröße im Kanalwellenleiter reduziert werden. Die vertikale Strahlbreite des Filmwellenleiters kann besser auf die des Kanalwellenleiters abgestimmt werden. Dies bringt besonders bei in Reihe angeordneten Wellenleitergittern Vorteile.
  • Die erhöhte Quertoleranz kann bei strahlsteuernden Geräten nützlich sein, die eine phasenmodulierende Anordnung zwischen den Eingangs- und Ausgangsfasern haben. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben ein strahlsteuerndes System mit einem größeren Wellenlängenbereich zur Folge. Dies ist wiederum eine Folge der erhöhten Leuchtpunktgröße.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Konzentration von Germanium oder Ähnlichem grundsätzlich im Verlauf der Länge der Faser oder des Wellenleiters konstant. Das Brechungsindexprofil variiert adiabatisch mit der Länge und auch über eine Länge in der Größenordnung zwischen wenigen Millimetern bis zu mehreren zehn Millimetern.
  • Die Optimierung eines entsprechend der vorliegenden Erfindung gebauten Geräts ist im Folgenden beschrieben.
  • Das physikalische Phänomen, das eine Indexänderung bewirkt, bewirkt auch eine Abreicherung des Lichts, das die Indexänderung verursacht. Daher ist es wahrscheinlich, dass die äußeren Regionen des Faserquerschnitts mehr Licht aufnehmen und daher ihren Brechungsindex mehr verändern als die inneren Regionen des Faserquerschnitts. Die Folgen dieser Wirkungsweise der Faser und die Möglichkeiten, solche Auswirkungen sowohl zu bekämpfen als auch nutzbar zu machen, werden im Folgenden besprochen.
  • Dies betrifft die Form des fundamentalen Modus am freien Ende des Kegels. Benötigt wird die Form einer gleichmäßigen Kurve mit engen, evaneszenten Schwänzen, wie in 13 gezeigt. Wie ebenfalls ersichtlich ist hat das Profil eine gleichmäßige Kurve 200 und enge Strahlenschwänze 202 und 204. Enge Strahlenschwänze sind vorteilhaft, da sie nur zu geringem Nebensprechen führen aufgrund der Kopplung von Strahlen, die auf angrenzende ähnliche Fasern in einem Faser-Array oder in einem Verbinder gezielt sind. Im Allgemeinen gilt, je höher die V-Nummer der Faser, desto enger der Strahlenschwanz. Eine gleichmäßige Kurve ist vorteilhaft, da dies bedeutet, dass das Winkelspektrum flacher Kurven eng ist und damit zu einer niedrigen Divergenz führt, die die Skalierbarkeit des strahlsteuernden Geräts in Bezug auf die Anzahl der Anschlüsse verbessert. In ähnlicher Weise sollte eine gleichmäßige Kurve ein Winkelspektrum mit nur minimalen Nebenzipfeln haben, da diese ansonsten zu Nebensprechen und Strahlausbreitungsverlusten führen würden. Die evaneszenten Schwänze liegen innerhalb der Mantelregion einer normalen optischen Faser. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entspricht diese Region am freien Ende des Kegels dem Außenmantel. Die Kurve liegt innerhalb der Kernregion einer normalen optischen Faser. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht der wirksame Kern am freien Ende des Kegels aus dem ursprünglichen Kern und dem lichtempfindlichen Innenmantel.
  • Bezug nehmend auf 14 geht man davon aus, dass die Lichtempfindlichkeit der Faser an allen Punkten innerhalb des Rings, der durch Kreise mit Radien von r = a beziehungsweise r = b begrenzt ist, einen bestimmten einheitlichen Wert annimmt, der nicht Null ist. Daher wird die Aufnahme des einfallenden UV-Lichts in dieser Region gleichmäßig sein. Ein vereinfachtes Modell für die Indexänderung (eine Rotation der Faser, um eine vom Winkel θ unabhängige Indexverteilung zu ermöglichen, wird angenommen) legt dar, dass die Indexänderung expotentiell ist mit einer Verringerung von b, wie in Gleichung (N. 1) angegeben: Δn(r) ~ exp(–α(b – r)) (N1)
  • Hinweis: dieses Modell berücksichtigt nicht die Energieerhaltung.
  • Das Verhalten kann von der skalaren Wellengleichung abgeleitet werden, wie in der Gleichung (N. 2) vorgegeben:
  • Figure 00200001
  • Wo R ein normalisierter Radius ist, steht = r/b F(R) für das elektrische Feld, b* ist der normierte Eigenwert, V ist die normalisierte Frequenz und s(R) ist die normalisierte Form des Brechungsindexprofils. Diese Symbole sind Fachleuten der Wellenleitertheorie vertraut, und sie sind in den Gleichungen (N. 3) bis N. 5) definiert.
  • Es ist zu beachten, dass für R, im Gegensatz zum normalen Vorgehen in diesem Fachgebiet, der Außenradius verwendet wird, da sich der wirksame Kernradius am freien Ende des Taper auf den Außenradius erhöht hat:
  • Figure 00200002
  • Wo NEFF den wirksamen Faserindex, der die Geschwindigkeit der Welle bei Wellenlänge λ festlegt, darstellt, beschreibt N(R) den Brechungsindex als Funktion des normalisierten Radius R; NCL ist der Brechungsindex des Mantels (in diesem Fall des Außenmantels) und NPK ist der höchste Brechungsindex innerhalb der (wirksamen) Kernregion.
  • Davon ausgehend, dass der höchste UV-belichtete Index gleich dem des ursprünglichen Faserkerns ist, wird in 15 ein Beispiel eines normalisierten Brechungsindexprofils, basierend auf Gleichung N. 1, gezeigt. 15 zeigt den Faserindex am Ende des Kegels, ausgehend von gleichmäßiger Lichtempfindlichkeit. Während der ursprüngliche Kern 206 mit einem gleichförmigen Brechungsindex dargestellt ist, steigt der Index im gesamten restlichen Anteil der wirksamen Kernregion 208 zusammen mit dem Radius. Der Außenmantel wird allgemein als 210 bezeichnet.
  • Für die Untersuchung der Wirkung auf die Form der Kurve ist es möglich, die Wellengleichung direkt zu integrieren und somit die Gleichung (N. 6) zu erhalten:
  • Figure 00210001
  • Durch Berücksichtigung der Gleichung (N. 6) in den Grenzbereichen, in denen R1 zu Null tendiert und R2 zur Unendlichkeit, ist es möglich, eine einfache Formel für diesen normalisierten Eigenwert zu erhalten, die darstellt, wie er von einem Durchschnittswert der normalisierte Profilform (s(R)), gewertet mit dem Produkt aus Radius (R) und der Feldverteilung (F(R)) abhängt. Diese Formel ist in Gleichung (N. 7) angegeben:
  • Figure 00210002
  • Beim fundamentalen Modus ändert das Feld F(R) sein Vorzeichen nicht. Diese Gleichung zeigt, dass der normalisierte Eigenwert b* zwischen 0 und 1 liegt. Nun ziehe man Gleichung (N. 6) in Betracht und setze R1 = null, in diesem Fall ist der zweite Term auf der rechten Seite dieser Gleichung null. Daher kann ohne Verlust der Allgemeingültigkeit angenommen werden, dass er positiv ist. In der ursprünglichen Kernregion wird s(R) auf Eins gesetzt und daher ist der Integrand in der Gleichung (N. 6) immer negativ, da b* niemals Eins werden kann. Daher nimmt in dieser Region das Feld immer mit dem Radius ab, was für eine gleichmäßige Kurve notwendig ist.
  • Nun ziehe man in Erwägung, was in der UV-belichteten Region passiert, auch diesmal wieder durch Bezug auf die Gleichung (N. 6), wobei aber R1 auf a/b gesetzt wird; in diesem Fall ist der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung der Wert des Produkts aus dem Radius und dem Feld-Differentialquotient beim Eindringen in diese Region. Für eine gleichmäßige Kurve ist es erwünscht, dass der Feld-Differentialquotient negativ bleibt. Das Integral hingegen wird wahrscheinlich positiv sein, da b* wahrscheinlich s(R) übersteigen wird. In diesem Fall wird R·dF/dR weniger negativ und ändert sogar das Vorzeichen, was zu einer Feldverteilung wie in 16 dargestellt führt. Die Feldverteilung hat die Distorsion 212 aufgrund eines positiven Indexanstiegs. Eine solche Feldverteilung hat im Winkelspektrum deutliche Nebenzipfel, wird divergent sein und damit zu einer schlechten Leistung führen.
  • Wie Fachleuten bekannt ist, steigt der normalisierte Eigenwert b* monoton mit dem normalisierten V-Wert an. Überdies ist die Wirkung auf den Feld-Differentialquotient proportional zum Quadrat des normalisierten V-Wertes, wie auch auf der rechten Seite der Gleichung (N6) dargestellt ist. Daher gilt: je größer der V-Wert, desto schlechter werden diese Wirkungen. Ein großer V-Wert ist jedoch genau das, was am Ende des Kegels benötigt wird, um enge Strahlenden in der Feldverteilung zu erhalten und die Strahlbreite zu vergrößern. Daher ist es wichtig herauszufinden, wie diese Indexanstiege unterdrückt werden können.
  • Eine Technik für die Minimalisierung der Distorsion der Feldverteilung durch einen Indexanstieg wird im Folgenden besprochen. Bei UV-Beleuchtung von einer Seite hängt die Frage, ob das Licht irgendeinen Punkt innerhalb der Faser erreicht, davon ab, wie weit es durch die lichtempfindliche Region geleitet wurde.
  • Mit Bezug auf 17 zum Beispiel erreicht Punkt P1 mit den Koordinaten (r, θ) = (b, 0) die volle Einfallsintensität, IMAX, während Punkt P2 mit den Koordinaten (r, θ) = (b, π) eine Intensität von IMAXexp(–2α(b – a)) erreicht. Mit diesen Angaben, vorgegeben in einer linearen Ordnung, ist die Indexänderung proportional zur Einfallsintensität, was zu einem Brechungsindexprofil führen wird, der sowohl mit dem Winkel θ, als auch mit 1,5 Radius variieren wird. Die Wirkung einer Rotation der Faser ist daher die, dass an jeder Stelle die Intensität in einer durchschnittlichen Zeit proportional zum Durchschnitt über θ ist. Dies hat die Wirkung einer Reduzierung der UV-belichteten Indexvariation entlang der Faser im Vergleich zu der in Gleichung (N. 1).
  • 18 zeigt ein Berechnungsbeispiel für die Indexänderung, die im Falle einer gleichmäßigen Lichtempfindlichkeit und damit auch gleichmäßigen UV-Aufnahme für alle Punkte innerhalb des Rings, der durch Kreise mit Radien von r = a, beziehungsweise r = b begrenzt wird, mittels der Zeitmittel-Intensität berechnet wird. 18 zeigt auch die Indexänderung, die anhand der Gleichung (N. 1) berechnet wurde. Daher ist ersichtlich, dass eine Rotation der Faser während der UV-Bestrahlung die Steigung des Brechungsindex verringert und damit die Form der Feldverteilung verbessert.
  • Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung der Indexsteigung besteht aus der Änderung der UV-Wellenlänge des Strahls. Im Allgemeinen nimmt die UV-Aufnahme bei Wellenlängen über einer Spitze von ungefähr 244 nm monoton mit der Wellenlänge ab. Daher wird der Wert von α durch die Wahl einer längeren Wellenlänge verringert und damit die Indexsteigerung vermindert. Auch eine Änderung des Lichtempfindlichkeitsprofils des Mantels in einer Reihe von konzentrischen, rohrförmigen Regionen ist möglich, wobei jede eine andere, aber im wesentlichen gleichförmige Lichtempfindlichkeit aufweist, die durch eine passende Einstellung der Index-Dotiersubstanzen während ihrer Ablagerung in der Vorformungsstufe der Herstellung erreicht wird. In der linearen Ordnung ist die Indexänderung in jeder Region proportional zum Produkt aus der Lichtempfindlichkeit und der Zeitmittel-Intensität, wobei die UV-Absorption proportional zur Lichtempfindlichkeit ist. Vorzugsweise sollte die Lichtempfndlichkeit für jede nachfolgende Röhre, die näher an der optischen Achse ist, erhöht werden. Daher kann die gesamte Indexsteigerung negativ oder konstant sein, wenn es für eine Anwendung notwendig ist, obwohl die Indexsteigerung in jeder Röhre positiv ist. Die Ergebnisse eines Computermodells, das für einen Test dieser Technik eingesetzt wurde, werden in 19 dargestellt. Die Lichtempfindlichkeit jeder Region wurde so eingestellt, dass eine stückweise, fortlaufende Annäherung an ein Stufen-Indexprofil erreicht wurde. Solange s(R) immer größer ist als b*, wird der Feld-Differenzialquotient nie sein Vorzeichen ändern und es sollte damit möglich sein, für eine gleichmäßige Kurve zu sorgen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass auch andere Verfahrensweisen für die Regulierung der Lichtempfindlichkeitsverteilung verwendet werden können, um das benötigte und exprofil nach UV-Bestrahlung zu erreichen.
  • Weiters wird darauf hingewiesen, dass die Indexsteigerung sowohl von der absoluten als auch von der relativen Konzentration von lichtempfindlichen Dotiersubstanzen im Glas abhängt.
  • Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines stückweise fortlaufenden Lichtempfindlichkeitsprofils ist der, dass es, bei einer vorgegebenen, maximal zulässigen Indexsteigerung, eine höhere Lichtempfindlichkeit zulässt und daher auch eine Verringerung der Herstellungszeit bewirkt.
  • Ersatzweise ermöglicht es eine weitere lichtempfindlichere Region und damit eine größere Leuchtpunktgröße am freien Ende, da sich die Leuchtpunktgröße in der Größenordnung des wirksamen Kernradius bewegt.
  • Verfahren zur Verminderung der Indexsteigerung können auch bei der Methode der Belichtung des Faserendes (3) mit Vorteilen eingesetzt werden. In diesem Fall ist es wichtig, dass der Index in der Längsrichtung nicht zu schnell geändert wird, um so die Kopplung vom fundamentalen Modus zu Modi mit höherer Ordnung beim Verlauf entlang des Kegels zu unterdrücken.
  • Die Indexänderung sollte sich vorzugsweise in einem Bereich zwischen einem Millimeter und einigen zehn Millimetern bewegen.
  • Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber der positiven Indexsteigerung ist die Änderung der Profilform, so dass der normalisierte Eigenwert b* vermindert wird. Dies kann durch Verminderung von s(R) erreicht werden, so dass sich der Index beträchtlich mit dem Radius an der Außenseite des Innenmantels vermindert, was zu einem „insgesamt absatzförmigen Profil" führt.
  • Ein Verfahren zur Optimierung der Amplitude der UV-belichteten Indexänderung im Verhältnis zum Index des ursprünglichen Kerns wird im Folgenden besprochen. Wenn der Index der UV-belichteten Region den des ursprünglichen Faserkerns übersteigt, so gibt es an der Grenze des ursprünglichen Kerns eine wirksame, positive Indexsteigerung. Der normalisierte Eigenwert ist dann wahrscheinlich größer als s(R) im Zentrum der Faser. Dadurch wird der Feld-Differentialquotient positiv starten, was zu einer schweren Felddistorsion führt. Umgekehrt, wenn der Index der UV-belichteten Region deutlich kleiner ist als der des ursprünglichen Kerns und der normalisierte Eigenwert nahe am normalisierten Index des Innenmantels liegt, so wird es im Zentrum des Felds eine kleine, enge Kurve geben. Eine solche enge Kurve wird die Weite des Winkelspektrums vergrößern. Daher sollte der Index des veränderten Innenmantels auf den Index des ursprünglichen Kerns so genau wie für die Anwendung notwendig abgestimmt werden. Die Empfindlichkeit der Feldverteilungsform gegenüber dem Indexunterschied zwischen der UV-belichteten Region und dem ursprünglichen Kern kann durch die Verringerung des normalisierten Eigenwertes zum Vorteil vermindert werden, und zwar beispielsweise durch die Erstellung einer absatzförmigen Variation (Abweichung) im Index an der Außenseite des Innenmantels. Die Empfindlichkeit kann auch durch eine Verminderung der wirksamen normalisierten Frequenz am freien Ende des Kegels verringert werden, wie es auch im Weiteren beschrieben wird.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren für die Optimierung der Feldverteilung bei einer Strahlfernsteuerung behandelt. Eine Gaußsche Feldverteilung wird bei Strahlsteuerungsanwendungen aufgrund der niedrigen Divergenz, die die Skalierbarkeit des strahlsteuernden Geräts in Bezug auf die Anzahl der Anschlüsse verbessert, bevorzugt, und aufgrund des Fehlens von Nebenzipfeln, die ansonsten zu Nebensprechen und Strahlausbreitungsverlusten führen würden.
  • Wie Fachleuten gut bekannt ist, würde ein unbegrenztes, parabolisches Indexprofil (mit einem maximalen Index im Zentrum) einen Gaußschen Fundamentalmodus hervorrufen.
  • Folglich ist die optimale Indexverteilung am freien Ende des Kegels (nach UV-Belichtung) so, dass der ursprüngliche Kern und der Innenmantel ein beträchtlich parabolisches Brechungsindexprofil haben, bei dem die Parabel so gerichtet ist, dass der höchste Index im Kern ist. Dies könnte man durch fortlaufende oder stückweise fortlaufende Änderungen im Lichtempfindlichkeitsprofil des Faserinnenmantels erreichen, die durch geeignete Einstellungen der Index-Dotiersubstanzen während ihrer Ablagerung an der Vorformungsstufe der Herstellung oder durch jede andere Methode der Einstellung der Lichtempfindlichkeitsverteilung erreicht werden können. In 20 ist ein Beispiel dargestellt.
  • Ein Verfahren für die Optimierung der Feldverteilung für Faserverbinder und Nahzwischenverbinder, das auch bei WDM Multiplexern/Demultiplexern verwendet werden kann, wird im Folgenden beschrieben. Bei Faserverbindern breitet sich das Feld nicht sehr weit aus. Bei dieser Anwendungsmöglichkeit kann es von Vorteil sein, bestimmte positive Indexsteigerungen für das Abflachen der Feldverteilung um ihr Zentrum herum zu verwenden. Dadurch werden Kopplungen zwischen solchen Fasern weniger empfindlich gegenüber Querverschiebungen. Eine hohe Extinktion/niedrige Kopplung von angrenzenden Fasern im Verbinder kann erreicht werden, indem man für einen vorstehenden Innenmantel der ursprünglichen Faser sorgt, wie auch in 21 gezeigt. Folglich hat das UV-belichtete Indexprofil einen höheren Brechungsindexunterschied zwischen dem wirksamen Kern und dem Außenmantel, erhöht damit b* und verschärft die evaneszenten Schwänze.
  • Am unveränderten Ende der Faser hingegen nimmt das Feld den Außenmantel nicht wahr und ist daher nur gegenüber der Indexdifferenz zwischen dem Kern und dem unveränderten Innenmantel empfindlich.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren für die Optimierung der Dotiersubstanzen des Innenmantelindex beschrieben, mit dem die Endgenauigkeit des Überwachungsvorgangs verbessert und der Abfall der Indexänderung nach dem Tempern und dem Verlustnachteil vermindert wird. Damit das Indexprofil am unbehandelten Ende der Faser mit Standardfasern perfekt kompatibel ist, sollte die Index-Dotiersubstanz im Innenmantel der Faser vorzugsweise Germanium sein, um die Lichtempfndlichkeit zu gewährleisten, zusammen mit einer den Index verringernden Dotiersubstanz, die den Index senkt und damit dem des Außenmantels angleicht. Es gibt zwei solche geeignete Stoffe: Erstens Bor, das die Lichtempfindlichkeit signifikant erhöht, und zweitens Fluorid, das die Lichtempfindlichkeit vermindert. Bor hat jedoch den Nachteil, dass es den Hintergrund der Faser soweit erhöht, dass damit die Verwendung solcher Fasern mit großen Längen nicht möglich ist. In der Praxis bedeutet dies, dass es bei vielen Anwendungsmöglichkeiten nötig wäre, die Länge einer Standardfaser an das unbehandelte Ende der indexgeänderten Faser zu spleißen. Zum Zweiten erhöht Bor, und besonders hydriertes Bor, die Indexänderungsabnahme mit Zeit und Temperatur viel mehr, so dass die Indexänderung, die während dem Tempern verschwindet, noch signifikanter und damit die Kalibrierung des Herstellungsprozesses problematischer wird. Fluorid ändert den Hintergrund der Faser kaum, obwohl es zum Diffundieren neigt. Daher ist die Verwendung von Fluorid, um den Index zu senken und ihn damit dem der Hülle anzugleichen, in der Tat trotz seiner niedrigen Lichtempfindlichkeit Bor vorzuziehen.
  • Ein Verfahren zur Optimierung des endgültigen Indexprofils zur Maximierung der endgültigen Leuchtpunktgröße wird im Folgenden beschrieben.
  • Die Gaußsche Annäherung an die Faserart ist in diesem Fachbereich gut bekannt. Es gibt viele Definitionen für die Leuchtpunktgröße ω, unabhängig von der Definition hängt jedoch die normalisierte Leuchtpuriktgröße (ω/b für unsere Zwecke) von der Form des Brechungsindexprofils ab. Folglich ist das endgültige Indexprofil, das die endgültige Leuchtpunktgröße ω maximiert, (bei einem vorgegebenen maximalen Wert von b) dasselbe, das das Verhältnis ω/b maximiert. Ergebnisse aus diesem Fachbereich deuten darauf hin, dass die Abstufung der „Außenseite" des Indexprofils, die zu einem absatzförmigen Profil führt, die normalisierte Leuchtpunktgröße verringert, während eine mittlere Senkung zu einer Steigerung der normalisierte Leuchtpunktgröße tendiert. Folglich ist bei bestimmten Anwendungen ein deutlich stufenförmiges Profil mit einer weichen mittleren Senkung, die das Feld nur abflacht, aber das in 16 gezeigte Problem umgeht, notwendig.
  • Ein Verfahren zur Optimierung der ursprünglichen Indexverteilung des Mantels zur Maximierung der endgültigen Leuchtpunktgröße ist im Folgenden beschrieben.
  • Wie in diesem Spezialgebiet wohl bekannt ist, nimmt die normalisierte Leuchtpunktgröße tendenziell mit der normalisierten Frequenz ab. Folglich ist es möglich, bei einem vorgegebenen festen Wert von b durch eine Einstellung des Außenmantelindex, die zu einer Verminderung der wirksamen, normalisierten Frequenz führt, die normalisierte Leuchtpunktgröße zu erhöhen und damit eben die Leuchtpunktgröße. Dies kann durch eine Erhöhung des Index des Außenmantels erreicht werden, oder durch das Gegenteil, durch die Verringerung des Index des gesamten Innenmantels und des ursprünglichen Kerns.
  • In der nun folgenden Erörterung wird die Kombination optischer Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem strahlsteuernden optischen Schalter besprochen.
  • Strahlsteuernde optische Schalter wirken dreidimensional und ermöglichen damit eine umfassende Zwischenschaltungsfähigkeit mit vielen Eingangs- und Ausgangskanälen (Anschlüsse). Typischerweise besteht ein solcher Schalter aus einem oder mehreren Faser- Arrays, von denen jedes Signale in den Schalter hinein oder vom Schalter weg leitet, und einer oder zwei Anordnungen von strahlsteuernden Bauteilen. Normalerweise wird der Strahl, der eine Eingangsfaser verlässt, mittels eines geeigneten optischen Systems zu einem strahlsteuernden Element geleitet, das die Ausbreitungsrichtung des Strahls verändert.
  • Normalerweise ist jede Eingangsfaser mit einem bestimmten Eingangs-Strahlsteuerungselement verbunden und umgekehrt. Der Strahl läuft dann durch ein weiteres geeignetes optisches System zu einem zweiten „Ausgangs"-Strahlsteuerungselement, welches den Strahl dann durch ein geeignetes optisches System zu einer Ausgangsfaser leitet. Gewöhnlich ist jede Ausgangsfaser mit einem bestimmten Ausgangs-Strahlsteuerungselement verbunden und umgekehrt.
  • Folglich wird der Strahl aufgrund der nötigen Richtungsänderung, die durch das Eingangs-Strahlsteuerungselement eingeleitet wird, zum Ausgangs-Strahlsteuerungselement, das mit der notwendigen Ausgangsfaser verbunden ist, geleitet. Die erforderliche Richtungsänderung, die durch das zweite Strahlsteuerungselement eingeleitet wird, bewirkt, dass der Strahl mit der optimalen Koppelungseffizienz in die Ausgangsfaser geleitet wird. In der Praxis sollte hier also eine gewisse Feineinstellung der Eingangs-Strahlsteuerer stattfinden, so dass die Koppelungseffizienz an der Ausgangsfaser maximiert wird. Geeignete Elemente für die Durchführung der Strahlsteuerung sind kleine einstellbare Schwenkspiegel mit MEMS (MicroElectroMechanical Systems [Mikroelektromechanische Systeme]) oder räumlichen Silizium-Lichtmodulatoren mit Flüssigkristall.
  • Bei MEMS ist das optische System, das zwischen dem Faser-Array und der Anordnung von Strahlsteuerungselementen verwendet wird, typischerweise ein System aus GRIN Linsen, wie in 22 dargestellt, das ein Faser-Array 220, ein GRIN-Array 222 und eine Anordnung von Strahlsteuerungselementen 224 zeigt. Ein solches System wird nachfolgend genauer erörtert. Solche Linsen führen zu einer schlechten optischen Endleistung als Einzellinsenelement zeigen sie tendenziell eine deutliche chromatische Aberration auf, so dass es eine wellenlängenabhängige Längsverschiebung zwischen dem fokussierten Ausgangsstrahl und dem empfangenden Ende der Ausgangsfaser gibt. Dies führt zu einem wellenlängenabhängigen Verlust, der den gesamten Wellenlängenbereich des Schalters bei einer vorgegebenen optischen Einstellung vermindert. Solche Linsen lösen auch eine deutliche sphärische Aberration aus, führen damit zu einer Distorsion des Ausgangspunktes und schränken die Ausbreitungslänge ein; zudem vergrößern sie damit die Leuchtpunktgröße an der Ausgangsfaser. Die eingeschränkte Ausbreitungslänge beschränkt die Gesamtgröße des Schalters und begrenzt damit die Anzahl der Kanäle (Anschlüsse), die innerhalb einer einzelnen Schalteinheit unterstützt werden können.
  • Solche Linsen neigen auch zu schlechten Fertigungstoleranzen. Abweichungen zwischen den einzelnen Linsen in einer Anordnung erzeugen Abweichungen in der Längsposition des Ausgangspunktes in Bezug auf die Ausgangsfaser. Dies kann zu bedeutenden Einfügungsverlustschwankungen zwischen den Schaltanschlüssen führen.
  • Wie nachfolgend beschrieben wird, ermöglicht die Verwendung von optischen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung in solchen Schaltern eine Verbesserung der optischen Leistung, sogar bei Verwendung von GRIN Linsen. Zusätzlich ist es bei der Verwendung von optischen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, Änderungen im optischen System zuzulassen, die es preiswerter, einfacher einzurichten und leistungsfähiger machen.
  • Die Verwendung optischer Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit GRIN Linsen oder anderen Mikrolinsen wird nun beschrieben.
  • Ein N-facher Anstieg der Leuchtpunktgröße eines Strahls führt zu einem Faktoranstieg von N zum Quadrat in der Rayleigh-Länge des Strahls. Wie Fachleuten sicher bekannt ist, führt eine beträchtliche Vergrößerung der Rayleigh-Länge der Feldverteilung der Faser dazu, dass die Koppelungseffizienz in eine Faser hinein weniger empfindlich gegenüber Längsabweichungen ist. Folglich vermindert die Verwendung optischer Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit GRIN Linsen die Empfindlichkeit gegenüber ihrer chromatischen Aberration und gegenüber Fertigungstoleranzen.
  • Überdies führt ein N-facher Anstieg der Leuchtpunktgröße zu einer 1/N Faktoränderung in der Strahldivergenz und damit sollte der Strahl viel weniger durch sphärische Aberration beeinträchtigt sein, wodurch größere Ausbreitungslängen und kleinere Punktverbreiterungen an der Ausgangsfaser möglich sind.
  • Ähnliche Probleme (Toleranzen, sphärische und chromatische Aberration) betreffen auch andere Arten von Mikrolinsen; in diesem Fall wird die Verwendung einer Kombination aus optischen Fasern entsprechend der vorliegenden Erfindung und Mikrolinsen-Anordnungen die optische Leistung verbessern.
  • Wie im Folgenden erörtert wird, ermöglichen optische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Teleskopsystemen zwischen Faser-Arrays und strahlsteuernden Anordnungen anstelle von Mikrolinsenanordnungen, ohne übermäßige Kompromisse bezüglich der Wellenlängenbereiche (SLMs) und der Skalierbarkeit (MEMS, SLMs) bei einem vorgegebenen Pixelabstand erforderlich zu machen. Bezug nehmend auf 23 sind in einem alternativen optischen System zur Lenkung von Strahlen zwischen einem Faser-Array und einem strahlsteuernden System 234 zwei konfokale Linsen 230 und 232 in einer Teleskopanordnung zu verwenden.
  • Jedes Faser-Array ist an der Eingangsbrennebene der nähesten Linse positioniert, während sich die Ausgangsbrennebene der anderen Linse ungefähr auf halbem Wege zwischen den Anordnungen der strahlsteuernden Elemente befindet. Die Vorteile der Verwendung eines solchen optischen Systems anstelle einer Anordnung von Mikrolinsen liegen darin, dass eine Ausrichtung einzelner Mikrolinsen nicht mehr bei jeder Faser erforderlich ist, die Linsen achromatisch sein und gut auf andere Aberrationen eingestellt werden können, und auch die Fertigungstoleranzen von Massenlinsen viel besser sind als jene von Mikrolinsen.
  • In den meisten Fällen ist es wünschenswert, die erforderliche Länge L der optischen Region zwischen den Strahlsteuerungssystemen zu verringern und auch die physische Größe jedes strahlsteuernden Elements zu reduzieren. Bei einer vorgegebenen Leuchtpunktgröße, ωBS, am Strahlsteuerungselement ist die Untergrenze der Bauteilgröße durch die Notwendigkeit, das Nebensprechen zwischen benachbarten Strahlenden zu vermeiden, beschränkt. Man sorge dafür, dass die Breite des Strahlsteuerungselements W ein Vielfaches C der Leuchtpunktgröße ist, d.h. W = CωBS. Bei MEMS Schaltern, die in einem solchen System verwendet werden, ist die erforderliche Spiegelgröße bei einer vorgegebenen Anzahl von Anschlüssen und einem vorgegebenen Ablenkungswinkel, der durch den schwenkbaren Spiegel ausgelöst wird, proportional zu einer Funktion f des Clipping-Parameters C und des Verhältnisses (ω/s), wobei ω die Leuchtpunktgröße der Fasern in einem Faser-Array und s die Trennung zwischen den Fasern in einem Faser-Array darstellt. Die bestimmte Funktion ist in der Gleichung N. 8 dargestellt:
  • Figure 00290001
  • Der optimale Wert von (ω/s), der die Funktion f minimiert und folglich sowohl W als auch L ebenfalls minimiert, ist durch die Gleichung N. 9 gegeben:
  • Figure 00290002
  • Für C = 3,4 zum Beispiel ist der optimale Wert des Verhältnisses ωs ungefähr 0,2. Typischerweise haben die Fasern in einem Array einen Außendurchmesser von 125 μm, oder manchmal auch 80 μm, wohingegen der Faserabstand innerhalb eines Arrays etwas größere Werte aufweist. Folglich ist die erforderliche Faser-Leuchtpunktgröße etwas größer als 27 μm, beziehungsweise etwas größer als 16 μm, um die Elementbreite und die Zwischenverbindungslänge zu optimieren. Standard-Telekommunikationsfasern haben jedoch eine Leuchtpunktgröße von nur ungefähr 5 μm. Sogar TEC (thermally expanded core [thermisch erweiterter Kern]) Fasern haben eine Leuchtpunktgröße von nur 10 μm. Daher können optische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung in solchen Systemen verwendet werden, um die Leistung zu optimieren. Niedrigere Werte von C können verwendet werden, daher ist 3,4 nicht der einzige mögliche Wert.
  • Außerdem ist in einem System mit räumlichen Silizium-Lichtmodulatoren mit Flüssigkristall der Wellenlängenbereich proportional zum Verhältnis ω/s. Daher könnte es unter bestimmten Umständen sinnvoll sein, Werte dieses Verhältnisses, die größer sind als das Optimum für die Elementbreite und die Zwischenverbindungslänge, vorzuziehen, um den Wellenlängenbereich zu erweitern. Folglich können optische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung in solchen Schaltern mit Vorteil verwendet werden, um einen größeren Wellenlängenbereich zu erhalten. Optische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung können aufgrund der erhöhten Winkelselektivität der Fasern dazu verwendet werden, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Nebensprechen zu verbessern. Die wirksame Neigung der Ausgangs-Strahlsteuerer kann dazu verwendet werden, die Neigung des Ausgangsstrahls, der zur Ausgangsfaser gelenkt wird, zu optimieren.
  • Ein Nebeneffekt der Erweiterung der Faser-Leuchtpunktgröße ist eine erhöhte Empfindlichkeit der Koppelungseffizienz gegenüber dem Einfallswinkel des ankommenden Strahls in Bezug auf die optische Achse der Faser. In der Praxis kann die Neigung des Strahls, der zur Ausgangsfaser gelenkt werden soll, so eingestellt werden, dass diese Koppelungseffizienz optimiert wird. In einem SLM [spatial light modulator, räumlicher Lichtmodulator] Schalter werden jedoch aufgrund von unerwünschten Beugungsordnungen, die zu Nebensprechen führen, wahrscheinlich einer oder mehrere ankommende Strahlen einen nicht-normalen Einfall haben. Die erhöhte Winkelselektivität der vorliegenden Erfindung verbessert die Extinktion dieser Nebensprech-Strahlen.
  • Damit wurde gezeigt, dass eine optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutende, vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten bietet. Die Anwendung der optischen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die hier angeführten Beispiele beschränkt, und diese Fasern können in einem weit größeren Bereich angewendet werden, was Fachleute dieses Spezialgebiets zu schätzen wissen werden.

Claims (11)

  1. Optische Faser, die einen Kern, einen Innenmantel und auf diesem einen Außenmantel besitzt, der den Innenmantel einschließt, wobei der Kern einen Kernbrechungsindex aufweist und so eingerichtet ist, dass ein Lichtstrahl hindurch laufen kann, und wobei der Innenmantel einen Innenmantelbrechungsindex besitzt, wobei der Innenmantelbrechungsindex in einer ersten Region einen ersten Wert besitzt, der vom Kernbrechungsindex sich durch solch einen Betrag unterscheidet, dass die optische Faser mit einer Standard-Telekomfaser kompatibel ist, und in einer angrenzenden Region, die ein freies Ende der vorerwähnten Faser enthält, deren Brechungsindex durch Bestrahlung verändert wurde, sich der Innenmantelbrechungsindex entlang der vorerwähnten Faser vom ersten Wert zu einem zweiten Wert am freien Ende der Faser ändert, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert im Wesentlichen dem Kernbrechungsindex entspricht, wodurch der wirksame Durchmesser des Kerns gleich dem des Kerns plus dem Innenmantel am freien Ende ist.
  2. Optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorerwähnte Betrag in der Größenordnung von 0,0045 liegt.
  3. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel einen Brechungsindex besitzt, der im Wesentlichen der vorerwähnte erste Wert des Brechungsindex ist.
  4. Optische Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel einen Brechungsindex besitzt, der kleiner als der vorerwähnte erste Wert des Brechungsindex ist.
  5. Optische Faser nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser so eingerichtet ist, dass sie eine Leuchtpunktgröße am vorerwähnten freien Ende besitzt, die mindestens das Vierfache der Leuchtpunktgröße in der vorerwähnten ersten Region beträgt.
  6. Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenabmessung der Faser sich nicht über die Faserlänge ändert.
  7. Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser eine Einzelmodus-Faser ist.
  8. Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex sich vom vorerwähnten ersten Wert zum vorerwähnten zweiten Wert nach einer annähernd Gaußschen Kurve ändert.
  9. Optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am vorerwähnten freien Ende die Faser eine normalisierte Frequenz besitzt, die größer als die einer Standard-Telekomfaser ist.
  10. Verfahren zur Vergrößerung der Leuchtpunktgröße an einem freien Ende eines Teils einer optischen Faser, wobei die optische Faser einen Kern mit einem Kernbrechungsindex, einen Innenmantel mit einem Brechungsindex, der durch Einwirkung von Strahlung verändert wird, und einen Außenmantel aufweist, wobei verfahrensgemäß die Bestrahlung des Innenmantels des Kerns am vorerwähnten freien Ende vorgenommen wird, bis der Innenmantelbrechungsindex dem Kernbrechungsindex entspricht.
  11. Anordnung von strahlsteuernden Elementen zur Steuerung von Licht aus einer Gruppe von Eingangsfasern, von welchen jede in Übereinstimmung mit einem der Ansprüche 1 bis 9 ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes vorerwähnte strahlsteuernde Element eine Breite besitzt, die als vorgegebenes Vielfaches der Leuchtpunktgröße der Eingangsfasern definiert ist, und das die Eingangsfasern ein Verhältnis von Abstand zu Leuchtpunktgröße besitzen, das so gewählt wird, dass es gleich ist dem vorgegebenen Vielfachen, multipliziert mit der Quadratwurzel aus 2.
DE60019331T 1999-12-03 2000-12-04 Multischichtglasfaser mit strahlaufweitendem brechungsindexkonus Expired - Lifetime DE60019331T2 (de)

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