DE69014493T2 - Faseroptischer Kuppler. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen faseroptischen Koppler und insbesondere einen Koppler für eine optische Einmodenfaser, bei dem bikonische optische Fasern miteinander gekoppelt sind.
• Bei einem herkömmlichen faseroptischen Koppler werden in Längsrichtung vorgesehene Überzüge von gleichen optischen Fasern teilweise entfernt und freiliegende Glasfaserbereiche der optischen Fasern werden miteinander verschmolzen und an dem verschmolzenen Bereich in die Lange gezogen, um eine optische Aufzweigung und Kopplung zu erzielen. Im allgemeinen werden optische Mehrmodenfasern verwendet. Ein weiterer herkömmlicher faseroptischer Koppler in einer Einmodenart ist in dem Stand der Technik gemäß der EP-A-0 293 289 beschrieben. Der faseroptische Koppler, der wellenlängenunabhängig ist, umfaßt zwei Einmodenfasern, die nebeneinander angeordnet sind, die derart verschmolzen werden, daß sie sich auf einen Kopplungsbereich mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt verjüngen, wobei die beiden Kerne der Fasern durch diesen Bereich verlaufen. Mit diesem Vorrichtungstvp wird jedoch eine Lichtkopplung über einen relativ breiten Wellenlängenbereich erreicht.
• Wie man jedoch aus der Veröffentlichung von Morishita mit dem Titel "Design of Optical Fibers for Wave-length Selective Melt-type Optical Couplers", in Extended Abstracts, The Spring Meeting, 1989, Institute of Electronics, Information and Communication Engineers of Japan, Nr. 4, Seiten 427, sieht, ist ein optischer Koppler zum Vereinen und Verzweigen von Licht bei einer bestimmten Wellenlänge bereits studiert worden. Bei dem optischen Koppler, wie er in der obigen Veröffentlichung vorgeschlagen ist, weisen zu verwendende optische Fasern einen unterschiedlichen Kerndurchmesser auf und sie weisen einen Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Mantel einer jeden optischen Faser auf, um Licht mit 1,53 µm und 0,83 µm zu vereinen und zu verzweigen. Das heißt, optische Einmodenfasern mit Wellenlängen, die vergleichsweise weit voneinander entfernt liegen, werden verwendet, um dadurch die Kopplung von Licht in einer Mode des Mantels bei langen Wellenlängen zu erzeugen durch Ausnutzung der Tatsache, daß sich die optischen Fasern in großem Maße voneinander in der Verteilung von geleitetem Licht unterscheiden. Es ist deshalb unmöglich, die Vereinigung und die Verzweigung von Licht mit einer Wellenlängenselektivität bei nahe beieinanderliegenden Wellenlängen durchzuführen.
• Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorhergehend genannten Probleme nach dem Stand der Technik zu lösen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Koppler zu schaffen, der eine Aufzweigung und Vereinigung von Licht bei nur einer bestimmten Wellenlänge schafft.
• Zur Lösung der vorhergehenden Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung einen faseroptischen Koppler mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen vor.
• Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen faseroptischen Kopplers mit den im Anspruch 6 dargelegten Schritten.
• Bei der vorliegenden Erfindung werden eine Vielzahl von optischen Einmodenfasern mit jeweiligen Mänteln, die unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, miteinander verschmolzen und dann in dem verschmolzenen Bereich gestreckt. Somit zeigt sich eine Aufzweigungscharakteristik wie bei einem Bandpaßfilter bei einer Wellenlänge, bei der die jeweiligen Lichtausbreitungskonstanten der unterschiedlichen optischen Fasern miteinander übereinstimmen, und der faseroptische Koppler weist Wellenlängenselektivität auf.
• Weitere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, wie auch die Verfahren zum Betrieb und die Eunktion der entsprechenden Elemente der Struktur, und die Kombination von Teilen und Einsparungen in der Herstellung werden bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, die Teil dieser Patentbeschreibung sind, offensichtlicher werden.
• In den Zeichnungen zeigen:
• Fig.1 eine grafische Darstellung der Ausbreitungskonstante gegen die Wellenlänge der zu koppelnden Fasern;
• Fig.2 eine schematische Darstellung des faseroptischen Kopplers nach der bevorzugten Ausführungsform;
• Fig.3 ein schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen faseroptischen Kopplers;
• Fig.4 eine grafische Darstellung der Verteilung des Brechungsindex der optischen Fasern nach der bevorzugten Ausführungsform;
• Fig.5 eine grafische Darstellung der Wellenlänge gegen den Einspeiseverlust des faseroptischen Kopplers nach der bevorzugten Ausführungsform in der Fig. 3; und
• Fig.6 eine grafische Darstellung des Aufzweigungsverhältnisses gegenüber der Wellenlänge nach der bevorzugten Ausführungsform.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun in bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
• In einem sich verjüngenden Teilbereich eines faseroptischen Kopplers wird ein Lichtverteilungs-/Kombinationszustand durch ein abfallendes Feld hervorgerufen, das sich aus dem Kern der optischen Faser heraus ausbreitet, so daß deren Mantel als ein Kern wirkt, und die Luft, die ein umgebendes Medium ist, als ein Mantel wirkt. In einem derartigen faseroptischen Koppler werden sowohl die Verzweigung als auch das Kombinieren von Licht in dem sich verjüngenden Bereich durchgeführt. Die Eigenschaften des Kopplers hängen von dem Zustand der Verschmelzung zwischen den beiden optischen Fasern und der Mantelstruktur ab, wie z.B. der Form des sich verjüngenden Teilbereichs, der Brechungsindizes der Mäntel und Kerne und der Manteldurchmesser.
• Im allgemeinen werden oft zwei optische Fasern mit der gleichen Struktur verwendet. In diesem Fall sind die Ausbreitungskonstanten β der beiden optischen Fasern zueinander gleich und wenn die Kopplungslänge des sich verjüngenden Teilbereichs geeignet ausgewählt ist, ist es deshalb möglich, die gesamte sich in einer der optischen Fasern ausbreitende Lichtleistung in die andere optische Faser bei einer gewünschten Wellenlänge abzuzweigen. Wenn jedoch die beiden optischen Fasern von unterschiedlicher Struktur sind, sind deren Konstanten β zueinander unterschiedlich, so daß die Lichtleistung, die abgezweigt werden kann, im Verhältnis zu dem Unterschied zwischen den Konstanten β begrenzt ist.
• Die Fig. 1 zeigt die jeweiligen Wellenlängencharakteristiken der Ausbreitungskonstanten β einer optischen Faser A mit einem großen Unterschied im Brechungsindex zwischen ihrem Mantel und Kern und mit einem kleinen Kerndurchmesser und einer weiteren optischen Faser B mit einem kleinen Unterschied in dem Brechungsindex zwischen ihrem Mantel und Kern und mit einem großen Kerndurchmesser. Das bedeutet, daß die optische Faser A eine steilere Neigung in ihrer charakteristischen Kurve und eine größere Wellenlängenabhängigkeit in ihrer Ausbreitungskonstante hat. Andererseits hat die optische Faser B eine sanftere Neigung. Es sollte ein übereinstimmender Punkt zwischen den beiden Kurven vorhanden sein. Unter der Annahme, daß die Wellenlängen an dem übereinstimmenden Punkt λp ist, wird die Ausbreitungskonstante β zwischen den optischen Fasern groß, wenn sich die Wellenlänge weit von der Wellenlänge λp entfernt. Bei der Wellenlänge λp an dem übereinstimmenden punkt ist es möglich, die gesamte in einer der optischen Fasern sich ausbreitende Lichtleistung in die andere optische Faser abzuzweigen, wenn die Kopplungslänge in dem sich verjüngenden Teilbereich geeignet ausgewählt ist. Wenn die Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts weit von der Wellenlänge λp wegliegt, wird, wie oben beschrieben ist, der Unterschied in der Konstante β zwischen den zwei optischen Fasern groß, so daß die Abzweigung begrenzt ist und gegebenenfalls unmöglich wird.
• Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, breitet sich die Lichteingangsleistung P&sub0; von einem Eingangsende der optischen Faser 1 aus, und die Lichtausgangsleistung P&sub1; schreitet zu einem Ausgangsende derselben fort. Die Lichtabzweigungsleistung P&sub2; wird in den Zweig der optischen Faser 2 abgezweigt und schreitet zu einem Ausgangsende derselben fort. Für diesen Fall ist die Wellenlängenabhängigkeit des Abzweigungsverhältnisses in der Fig. 6 gezeigt. In bezug auf die Lichtabzweigungsleistung P&sub2; in die optische Abzweigungsfaser 2 ist klar, daß die Ausgabe eine Charakteristik wie ein Bandpaßfilter bei der Wellenlänge von 1,31 µm zeigt.
• Ein bestimmtes Beispiel des faseroptischen Kopplers auf der Grundlage der obigen Diskussion wird nun im folgenden beschrieben.
• Eine optische Faser mit einem Teilbereich aus reinem Quarzglas, das als ein Mantel wirkt, und einem anderen germaniumdotiertem Teilbereich, um dessen Brechungsunterschied um 0,3 % zu erhöhen, um dadurch als Kern zu wirken, wurde als die optische Faser 1 verwendet. Eine weitere optische Faser mit einem Teilbereich aus reinem Quarzglas, das als ein Kern wirkt, und einem weiteren fluordotiertem Teilbereich, um dessen Brechungsindexunterschied um 0,3 % zu verringern, um dadurch als ein Mantel zu wirken, wurde als die optische Abzweigungsfaser 2 verwendet. Die Parameter jeder der optischen Fasern waren derart, daß deren Mode eine Einzelmode war, wobei der Modenfelddurchmesser ungefähr 10 µm, die Abschneidewellenlänge 1,2 µm, und der äußere Durchmesser des Mantels 125 µm betrug.
• Die Beschichtung der optischen Faser 1 mit dem germaniumdotierten Kern wurde teilweise entfernt und mit einer Fluorsäure geätzt, so daß der äußere Durchmesser ihres Mantels zu ungefähr 49 µm wurde, und die optische Faser 1 wurde mit der optischen Verzweigungsfaser mit dem Kern aus reinem Quarzglas und einem äußeren Durchmesser von 125 µm vereinigt. Die beiden optischen Fasern wurden miteinander verschmolzen und dann an dem verschmolzenen Bereich unter Verwendung von durch einen Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner erzeugter Wärme gestreckt. Bei der Streckung wurde ein Halbleiterlaser mit einer Oszillationswellenlänge von 1,31 µm mit einem Ende der optischen Faser 1 als eine Eingangsguelle dafür verbunden, und ein Leistungsmeßgerät wurde mit dem entfernten Ende der optischen Verzweigungsfaser 2 verbunden. Die Streckung wurde durchgeführt, während gleichzeitig die Abzweigungslichtleistung P&sub2;, die aus der optischen Abzweigungsfaser 2 ausgegeben wurde, überwacht wurde. Die Streckung wurde solange fortgesetzt, bis die Abzweigungslichtleistung P&sub2; an dem Leistungsmeßgerät einen Maximalwert erreichte. Der verschmolzene und gestreckte Bereich wurde an einem Quarzgehäuse mit einem Haftstoff befestigt und dann herausgenommen, wodurch ein Koppler hergestellt wurde. Bei der Befestigung an dem Quarzgehäuse wurde der Haftstoff an dem gegenüberliegenden Ende des verschmolzenen und gestreckten Bereichs angewendet, um zu verhindern, daß der Haftstoff in Kontakt mit dem sich verjüngenden Bereich 3 kommt.
• Die Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kopplers. Die Lange des sich verjüngenden Bereichs 3 beträgt ungefähr 30 mm und der minimale Durchmesser des verschmolzenen Bereichs beträgt ungefähr 20 µm. Die Fig. 5 zeigt das Ergebnis einer Messung der Wellenlängenabhängigkeit des Einspeiseverlusts dieses faseroptischen Kopplers. Bei dieser Messung, wie sie in der Fig. 2 gezeigt ist, wurde ein Monochromator mit einem Ende der optischen Faser 1, die den germaniumdotierten Kern aufweist, verbunden, und ein Leistungsmeßgerät wurde an der Seite des anderen Endes der optischen Faser 1 und der optischen Abzweigungsfaser 2 angeschlossen. Während die Wellenlänge des einfallenden Lichts durch Verändern des Monochromators verändert wurde, wurde die Ausgabe des Leistungsmeßgeräts gemessen, um somit die Wellenlängenabhängigkeit zu messen. Danach wurde die optische Faser 1 an dem Eingangsende abgeschnitten und ein Leistungsmeßgerät wurde mit dem abgeschnittenen Bereich der optischen Faser 1 verbunden, und die eintreffende Leistung P&sub0; wurde gemessen, während die Wellenlänge des eintreffenden Lichts auf die gleiche Weise verändert wurde. Dann wurden die Differenzen (P&sub1;-P&sub0;) und (P&sub2;-P&sub0;) berechnet. Somit wurde ein faseroptischer Koppler mit den gleichen Eigenschaften wie nach der obigen Diskussion erhalten.
• Im Hinblick auf die Ausbreitungskonstante β ist es nicht immer notwendig, die Manteldurchmesser unterschiedlich zu gestalten, um die Wellenlängenabhängigkeit unterschiedlich auszubilden.
• Es ist aus der obigen Beschreibung gemäß der vorliegenden Erfindung offensichtlich, daß es möglich ist, einen faseroptischen Koppler mit Wellenlängenselektivität zu erhalten.
• Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die am besten geeignete und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern, im Gegensatz, verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die in dem Grundgedanken und dem Bereich der beiliegenden Ansprüche enthalten sind.

Claims (7)

1. Ein faseroptischer Koppler mit:

wenigstens einer ersten (1) und einer zweiten (2) optischen Einmodenfaser als Bestandteil zum Ausbreiten von Licht, wobei jede optische Faser einen Kern und einen Mantel aufweist, wobei die Mäntel unterschiedliche Brechungsindizes haben;

wobei die enthaltenen optischen Fasern einen verschmolzenen Bereich (3) aufweisen, an dem die optischen Fasern seitlich zusammengeschmolzen und gestreckt sind,

wobei der Mantel der ersten optischen Faser (1) einen relativ hohen Brechungsindex in bezug auf den Mantel der zweiten optischen Faser (2) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der enthaltenen ersten optischen Faser kleiner ist als derjenige der zweiten optischen Faser, wobei der sich ergebende verschmolzene Bereich (3) ausgebreitetes Licht nur bei einer einzigen bestimmten Wellenlänge vereint und aufzweigt, wodurch der faseroptische Koppler als ein Bandpaßfilter wirkt.

2. Ein faseroptischer Koppler nach Anspruch 1, wobei die erste optische Faser einen kleineren Kerndurchmesser als die zweite optische Faser aufweist.

3. Ein faseroptischer Koppler nach Anspruch 1, wobei der Kern der ersten optischen Faser Ge-dotiert ist, um somit seinen Brechungsindex zu erhöhen, und wobei der Mantel der zweiten optischen Faser F-dotiert ist, um somit seinen Brechungsindex zu verringern.

4. Ein faseroptischer Koppler nach Anspruch 1, wobei der verschmolzene Bereich eine vorbestimmte Lange aufweist derart, daß der optische Koppler eine vorbestimmte Verhaltenscharakteristik bei der bestimmten einzigen Wellenlänge aufweist.

5. Ein faseroptischer Koppler nach Anspruch 1, wobei die Kopplungslänge des sich verjüngenden Bereichs derart ist, daß die gesamte Eingangslichtleistung, die in der einzigen bestimmten Wellenlänge sich ausbreitet, von einer der ersten oder zweiten optischen Faser zu der anderen optischen Faser gekoppelt wird.

6. Ein Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen Kopplers mit den folgenden Schritten:

Auswählen von ersten und zweiten optischen Fasern als Bestandteil, wobei die optischen Fasern jeweils einen Kern und einen Mantel aufweisen;

Zusammenschmelzen von jeweiligen seitlichen Bereichen der ersten und zweiten optischen Fasern;

Strecken des verschmolzenen Bereichs; und

Überwachen der Eigenschaften des optischen Kopplers während der Streckung, um ein gewunschtes Verhalten zu erzielen,

gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

anfängliches Ge-Dotieren des Kerns der ersten enthaltenen optischen Faser, um den Brechungsindex des Kerns der ersten optischen Faser zu erhöhen;

anfängliches F-Dotieren des Mantels der ersten optischen Faser, um den Brechungsindex des Mantels der zweiten optischen Faser zu verringern; und

Entfernen eines Abschnitts des Mantels der ersten optischen Faser, um den äußeren Durchmesser der ersten optischen Faser vor dem Ausführen des Verschmelzungsschritts zu verringern; und Durchführen des Überwachungsschritts bei nur einer einzigen bestimmten Wellenlänge, wodurch die Herstellung eines faseroptischen Kopplers ermöglicht wird, der als ein Bandpaßfilter für die einzige bestimmte Wellenlänge wirkt.

7. Ein Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen Kopplers nach Anspruch 6, mit dem weiteren Schritt:

Beenden des Streckens des verschmolzenen Bereichs, wenn durch den verschmolzenen Bereich hindurch sich ausbreitendes Licht bei der einen bestimmten Wellenlänge ein Maximum erreicht.