DE69326135T2

DE69326135T2 - Achromatischer Koppler für optische Fasern

Info

Publication number: DE69326135T2
Application number: DE69326135T
Authority: DE
Inventors: Daniel Aloysius Nolan; David Lee Weidman
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1992-12-31
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2013-12-07
Also published as: US5295210A; AU660383B2; CN1090057A; EP0606583B1; CN1037995C; JPH06235841A; AU5263493A; EP0606583A1; CA2108589A1; DE69326135D1; TW261670B; KR940015549A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft optische Einzelmodusfaserkoppler, die dazu ausgelegt sind, eine relativ gleichmäßige Lichtkopplung zwischen Fasern über ein relativ breites Band von Wellenlängen zu bewirken.
Geschmolzene Faserkoppler sind hergestellt worden, indem mehrere Fasern nebeneinanderliegend entlang einer geeigneten Länge positioniert werden, wobei die Hüllen bzw. Überzüge miteinander verschmolzen werden, um die Fasern zu schützen bzw. festzulegen und die Räume zwischen den Kernen zu verringern. Verschiedene Kopplereigenschaften können verbessert werden, indem die Fasern in ein Kapiilarrohr vor dem Heizen und Strecken der Fasern eingeführt werden, was zur Ausbildung eines "Überhüllenkopplers" führt. Um einen Überhüllenkoppler herzustellen, werden die Fasern in ein Rohr eingeführt und das Rohr wird evakuiert und sein Mittenbereich wird erhitzt und auf die Fasern geschrumpft. Der zentrale Abschnitt des Mittenbereichs wird daraufhin auf denjenigen Durchmesser und die Kupplungslänge heruntetgezogen bzw. niedergezogen, die erforderlich ist, um das gewünschte Koppeln zu erzielen.
Die Kerne werden in dem Kopplungsbereich so klein, daß ihre Auswirkung auf die Ausbreitung sehr gering wird. Wenn der Faserüberzugsdurchmesser ausreichend klein wird, dient der Verbund aus Kern und Überzug als Lichtführungsabschnitt des Wellenleiters in dem Kopplungsbereich und das umgebende Material mit niedrigem Index bzw. Brechungsindex dient als Überzug. Es findet deshalb eine Energieübertragung zwischen den benachbarten Faserhüllen im Kopplungsbereich statt. Der Grundmodus bzw. Grundwellen-Typ dieses Abschnitts der Faser, der sich im Kopplungsbereich befindet (im Kern/Überzug/Überhüllen- Wellenleiter) zeigt eine Ausbreitungskonstante, die sich von dem Grundmodus unterscheidet, der sich in der Faser außerhalb des Kopplungsbereichs ausbreitet. Die Größe βCR wird zur Bezeichnung der Ausbreitungskonstanten des Grundmodus benutzt, der sich in diesem Abschnitt der Kopplungsfaser ausbreitet, bei welchem es sich um den Kopplungsbereich handelt. Die Ausbreitungskonstante des Grundmodus in dem Kopplungsbereich ändert sich tatsächlich kontinuierlich mit der Geometrie. Zur Erzielung eines qualitativen Verständnisses des Verhaltens dieser Koppler ist es zweckmäßig, anzunehmen, daß der Koppler im gesamten Kopplungsbereich eine konstante Geometrie aufweist und eine verlustlose Verbindung mit Eingangs- und Ausgangsfasern.
Identische optische Fasern wurden bislang verwendet, um einen Standardkoppler herzustellen, dessen Kopplungsverhältnis stark wellenlängenabhängig ist; d. h., wenn er eine 3 dB-Kopplung bei 1310 nm aufweist, kann er nicht als 3 dB-Koppler bei 1550 nm aufgrund dieser Wellenlängenabhängigkeit arbeiten. Ein "Standardkoppler" könnte in einem Fenster durch seine Energieübertragungseigenschaft charakterisiert werden, das um 1310 nm zentriert ist, und auf welches als das erste Fenster bezug genommen wird. Beispielsweise könnte ein Standardkoppler ein Kopplungsverhältnis zeigen, daß nicht stärker als +5% innerhalb eines 60 nm-Fensters variiert.
Bei einem "achromatischen Koppler" handelt es sich um einen Koppler, bei welchem das Kopplungsverhältnis weniger empfindlich auf die Wellenlänge anspricht, als dies für ein Standard koppler der Fall ist. Es liegt keine allgemein akzeptierte Definition eines "achromatischen Kopplers" vor. Die am wenigstens stringente Definition würde lediglich verlangen, daß ein achromatischer Koppler bessere Energieübertragungseigenschaften zeigt als der Standardkoppler im ersten Fenster. Realistischer gesehen, wird die Spezifikation dadurch aussagekräftiger, daß gefordert wird, daß ein achromatischer Koppler bessere Leistung zeigt als der Standardkoppler in diesem ersten Fenster oder daß von ihm gefordert wird, geringere Energieübertragungsgefälle in zwei Fenstern mit spezifizierten Breiten zu zeigen. Diese Fenster könnten beispielsweise als 100 nm breit und um etwa 1310 nm und 1530 nm zentriert spezifiziert werden. Diese Fenster müssen nicht dieselbe Breite haben; ihre Breite könnte beispielsweise 80 nm und 60 nm betragen. Ein optimal arbeitender achromatischer Koppler wäre in der Lage, niedrige Werte des gekoppelten Energiegefälles über im wesentlichen den gesamten Einmodusbetriebsbereich zu zeigen. Für auf Silika basierende optische Fasern könnte dieser Betriebsbereich als beispielsweise zwischen 1260 nm und 1580 nm liegend spezifiziert werden.
Ein Typ eines achromatischen Kopplers ist durch Verwenden von Fasern mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten für den Grundmodus in dem Kopplungsbereich hergestellt worden, d. h., durch Verwenden von Fasern unterschiedlichen Durchmessers und/oder von Fasern mit unterschiedlichem Brechungsindexprofil oder durch Verjüngen oder Ätzen von einer von zwei identischen Fasern in stärkerem Ausmaß als die andere.
Das US-Patent 5 011 251 lehrt achromatische optische Überhüllenfaserkoppler, in welchen die gekoppelten Fasern durch Matrixglas mit einem Brechungsindex n&sub3; umgeben sind, der nied riger ist als derjenige des Faserüberzugmaterials. Die Größe ßcR dieser zwei Wellenleiter unterscheidet sich im Kopplungsbereich, da die Fasern unterschiedliche Überzugsbrechungsindeces aufweisen. Der Unterschied zwischen dem Brechungsindex n&sub2; des Überzugs der ersten Faser und des Brechungsindex n&sub2;' des Überzugs der zweiten Faser ist derart, daß der Koppler eine sehr geringe Änderung des Kopplungsverhältnisses als Funktion der Wellenlänge über ein relativ breites Wellenlängenband zeigt. Fig. 1 zeigt das Spektrum eines typischen achromatischen Δβ-Kopplers, hergestellt in Übereinstimmung mit dem US- Patent 5 011 251. Während die Einfügungsverlustkurven der zwei Ausgänge sich in der Nähe der Zentren der zwei Telekommunikationsfenster schneiden, laufen sie in der Nähe der Ränder dieser Fenster auseinander und die Trennung zwischen diesen Kurven an den Rändern des Fensters beträgt typischerweise etwa 1 dB. Diese Trennung wird als "Gleichmäßigkeit" bezeichnet, und ein Schlüssel-Standardhersteller, Bellcore, führt in seiner mit TA1209 bezeichneten Druckschrift eine notwendige Gleichmäßigkeit von 1,0 dB und eine objektive von 0,5 dB an.
Das US-Patent 5 011 251 charakterisiert den Röhrenbrechungsindex n&sub3; durch das Symbol Δ&sub2;&submin;&sub3;, dessen Wert erhalten wird aus der Gleichung Δ&sub2;&submin;&sub3; = (n&sub2;²-n&sub3;²)/n&sub2;². Die Größe Δ wird häufig in Prozent ausgedrückt, d. h. als ein hundert mal Δ. Kommerziell verfügbare optische Einzelmodusfasern haben typischerweise einen Wert von n&sub2;, der gleich oder nahe demjenigen von Silika ist. Wenn Silika als Grundglas bzw. Basisglas für das Rohr verwendet wird, wird ein Dotierstoff, wie etwa B&sub2;O&sub3;, und optional Fluoren zugesetzt, mit dem Zweck, den Rohrbrechungsindex n&sub3; auf einen Wert niedriger als n&sub2; zu erniedrigen. Zusätzlich zum Erniedrigen des Brechungsindex des Rohrs erniedrigt bzw. verringert B&sub2;O&sub3; vorteilhafterweise den Erweichungstemperaturpunkt von ihm auf einen Wert niedriger als derjenige der Fasern. Das Patent lehrt, daß, wenn Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner als 0,2% ist, die Menge an B&sub2;O&sub3; im Silikarohr nicht hinreicht, das Glasrohr in einem 1 · 2- oder 2 · 2-Koppler zu erweichen, weshalb es die Fasern während des Schumpfungsschritts übermäßig verformt. Der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; für Standardkoppler betrug deshalb üblicherweise zwischen 0,26% und 0,35%, und um die Reproduzierbarkeit des Prozesses zum Herstellen von achromatischen Überhüllenkopplern des in diesem Patent offenbarten Typs zu verbessern, ist Δ&sub2;&submin;&sub3; bevorzugt größer als 0,4%.
Die EP-A-0 578 982, die am 19. Januar 1994 veröffentlicht wurde und ein Prioritätsdatum vom 15. Juli 1992 beansprucht, lehrt einen optischen achromatischen Überhüllenfaserkoppler des Typs, bei welchem mehrere optische Einzelmodusfasern entlang einem Teil ihrer Längen zusammengeschmolzen werden, um einen Kopplungsbereich auszubilden, der durch einen Matrixglaskörper mit einem Brechungsindex n&sub3; umgeben ist. Die Kopplerverjüngung und n&sub3; sind derart gewählt, daß die Kupplungskonstanten des Kopplers bei zwei weit bzw. stark getrennten Wellenlängen identisch sind, was zu einem achromatischen Leistungsprofil führt. Um ein derartiges achromatisches Leistungsprofil zu erzielen, muß n&sub3; um so viel kleiner sein als n&sub2;, daß der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner als 0,125% ist, wobei n&sub2; der Faserüberzugsbrechungsindex ist. Der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; ist bevorzugt so gewählt, daß der nicht-adiabatische Verjüngungsüberschußverlust unter 0,5 dE beträgt. Eine Diskussion von nichtadiabatischen Verjüngungsvorrichtungen findet sich in der Veröffentlichung W. J. Stewart et al. "Design Limitation on Tapers and Couplers in Single-Mode fibers", Proc. IOPOC, 1985, S. 559-562. Um dieses Erfordernis zu erfüllen, scheint es so zu sein, daß Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner als 0,125% und bevorzugt kleiner als etwa 0,02% sein muß. Wenn Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner wird, ist weniger Brechungsindex-verkleinernder bzw. -verringernder Dotierstoff in dem auf Silikaglas basierenden Matrixglasrohr vorhanden. Das relativ harte Matrixglasrohr verformt deshalb die Fasern darin während des Rohrschrumpfschritts beim Kopplerherstellungsprozeß. Eine derartige Faserverformung kann dazu führen, daß der Kopplerüberschußverlust zunimmt, wodurch die Verringerung des Überschußverlustes verschoben wird, der auf der Verringerung der Verjüngungssteilheit beruht.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht darin, einen achromatischen optischen Einzelmodusüberhüllenfaserkoppler zu schaffen, der durch eine sehr geringe Änderung der gekoppelten Energie über ein breites Wellenlängenband gekennzeichnet ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen achromatischen 1 · 2-Überhüllenkoppler zu schaffen, der eine verbesserte Einfügungsverlustgleichmäßigkeit hat.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein achromatischer 1 · N-Koppler geschaffen, wobei N 2 oder 3 beträgt, wobei der Koppler einen länglichen Körper aus Matrixglas umfaßt, und
drei optische Wellenleiterpfade, die sich durch den Körper erstrecken, wobei jeder der Pfade einen Kernbereich umfaßt, der durch einen Überzugsbereich mit einem Brechungsindex kleiner als derjenige des Kernbereichs umgeben ist, wobei der niedrigste Brechungsindex der Überzugsbereiche n&sub2; ist, wobei kein sich durch den Körper erstreckender optischer Wellenlei terpfad zusätzlich zu den drei optischen Wellenleiterpfaden vorliegt,
wobei die optischen Wellenleiterpfade sich in ausreichend kurzer Entfernung erstrecken, daß eine ausreichend lange Distanz einen Kopplungsbereich bilden kann, wo ein Teil der optischen Energie, die sich in den Pfaden ausbreitet mit den anderen der Pfade koppelt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbereiche in einer dreieckigen Gruppierung in dem Kopplungsbereich, in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Körpers gesehen, angeordnet sind, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die optische Energie in jedem Pfad direkt mit beiden der anderen Pfade koppelt und der Brechungsindex von zumindest diesem Bereich des Körpers benachbart zu den Pfaden n&sub3; beträgt, wobei n&sub3; um ein Ausmaß kleiner als n&sub2; ist, daß der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner als 0,125% ist, wobei Δ&sub2;&submin;&sub3; gleich (n&sub2;²-n&sub3;²)/2n&sub2;² ist.
Eine Aufgabe gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines achromatischen optischen Einzelmodusüberhüllenfaserkopplers ohne übermäßiges Verzerren der optischen Fasern im Kopplungsbereich zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schafft demnach ein Verfahren zum Herstellen eines optischen 1 · N-Faserkopplers, wobei N gleich 2 oder 3 ist, wobei das Verfahren aufweist, Bereitstellen eines Glasrohrs mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Enden und einem Mittenbereich, wobei sich eine Längsbohrung ausgehend von dem ersten Ende des Rohrs zu seinem zweiten Ende erstreckt, wobei zumindest der innere Abschnitt des Rohrs benachbart zu der Bohrung einen Brechungsindex n&sub3; aufweist,
Anordnen in der Bohrung einen Teil einer optischen Eingangsglasfaser und die Endabschnitte von mehreren optischen Ausgangsglasfasern, wobei jede der Fasern einen von einer Beschichtung mit einem Brechungsindex umgebenen Kern aufweist, der kleiner ist als derjenige des Kerns, wobei der kleinste Brechungsindex der Beschichtungen der optischen Fasern n&sub2; ist, wobei ein Teil der ersten Faser sich über das erste Ende des Rohrs hinaus erstreckt, wobei ein Teil von jeder der mehreren Fasern sich über das zweite Ende des Rohrs hinaus erstreckt,
Schrumpfen des Rohrmittenbereichs auf die Fasern, und Ziehen des zentralen Abschnitts des Mittenbereichs, um seinen Durchmesser zu verringern und um einen Kopplungsbereich zu bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Ausgangsfasern zwei Ausgangsfasern umfassen, wobei die Eingangsfaser und die zwei Ausgangsfasern in einer dreieckigen Gruppierung bei Betrachtung in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse des Rohrs angeordnet sind, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die optische Energie in jeder Faser direkt in beide andere Fasern koppelt, und wobei n&sub2; größer als n&sub3; um ein Ausmaß ist, daß der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner als 0,125% ist, wobei Δ&sub2;&submin;&sub3;gleich (n&sub2;²-n&sub3;²)/2n&sub2;² ist.

Kurze Erläuterung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Kurvendarstellung des spektralen Kopplungsverhältnisses für einen achromatischen 1 · 2-Koppler, der durch das Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt ist.
Fig. 2 zeigt eine Längsschnittansicht eines 2 · 2-Überhüllenkopplers.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch den Mittenbereich eines 2 · 2-Überhüllenkopplers vor dem Schrumpfungsschritt.
Fig. 4 zeigt eine Kurvendarstellung des Verhältnisses der Kopplungskonstanten als Funktion des inversen Ziehverhältnisses bei drei unterschiedlichen Wellenlängen für einen 2 · 2- Schalterkoppler mit einem Δ&sub2;&submin;&sub3;-Wert von 0,35%.
Fig. 5 zeigt schematisch die Außenfläche von zwei Rohren mit unterschiedlichen Ziehverhältnissen und unterschiedlichen Kopplungsabständen, jedoch ähnlicher Kopplung.
Fig. 6 zeigt eine Kurve, bei welcher die "NAT-Differenz", der Differenzparameter von Gleichung (10) als Funktion von Δ&sub2;&submin;&sub3; für die Wellenlängen 1310 nm und 1550 nm aufgetragen ist.
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kapillarrohrs, nachdem optische Fasern in dieses eingeführt sind.
Fig. 8 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 8-8 von Fig. 7.
Fig. 9 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Schrumpfen eines Kapillarrohrs und Strecken des Mittenbereichs.
Fig. 10 zeigt eine Kurvendarstellung von spektralen Kopplungsverhältniskurven für einen achromatischen 1 · 2-Koppler, der gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellt ist.
Fig. 11 zeigt eine theoretische Kurvendarstellung von spektralen Kopplungsverhältniskurven für einen achromatischen 1 · 3- Koppler.
Fig. 12 zeigt eine Kurvendarstellung des Brechungsindex, aufgetragen als Funktion des Rohrradius für einen Rohr-Typ.
Fig. 13 zeigt einen optischen Faserkoppler, nachdem er herunter- bzw. tiefgezogen und an seinen Enden abgedichtet wurde.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es ist nicht beabsichtigt, daß die Zeichnungen den Maßstab oder die relativen Proportionen der in ihnen gezeigten Elemente wiedergeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine spezielle Ausführungsform einer Klasse von optischen Überhüllenkopplern, die verursacht durch ihren relativ niedrgen Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; Achromatizität zeigen. Die Theorie der Arbeitsweise dieser Koppler wird in Verbindung mit dem in Fig. 2 gezeigten 2 · 2-Koppler erläutert. Um den Koppler von Fig. 2 herzustellen, werden optische Fasern F&sub1; und F&sub2; durch ein Glasüberhüllenrohr 0 mit einem Durchmesser d&sub1; gefädelt. Der Brechungsindex von zumindet dem inneren Teil des Rohrs benachbart den Fasern beträgt n&sub3;. Die Fasern F&sub1; und F&sub2; weisen einen Kern mit einem Brechungsindex n&sub1; auf, der durch eine Hülle bzw. einen Überzug mit einem Brechungsindex kleiner als n&sub1;, jedoch größer als n&sub3;, umgeben bzw. umschlossen ist. Das Rohr O wird evakuiert und sein Mittenbereich wird erhitzt, um ihn auf die Fasern zu schrumpfen. Das Rohr wird erneut erhitzt und seine Enden werden in entgegengesetzten Richtungen gezogen, um den zentralen Abschnitt des geschrumpften Mittenbe reichs zu strecken. Die Rohrschrumpf- und -streckvorgänge können in Übereinstimmung mit dem US-Patent 5 011 251 ausgeführt werden. Die Geschwindigkeit, mit welcher die zwei Rohrenden sich voneinander weg während des Streckschritts bewegen, bildet die kombinierte Streckgeschwindigkeit. Das Rohr kann mit konstanter Geschwindigkeit gestreckt werden, oder die Streckgeschwindigkeit kann kontinuierlich oder in diskreten Schritten variieren. Der Streckvorgang kann beendet werden, nachdem eine vorbestimmte Kopplung erzielt ist. Daraufhin kann das Rohr erneut erhitzt werden und das Strecken kann mit einer zweiten Streckgeschwindigkeit vorgenommen werden. Das Verhältnis des ursprünglichen Durchmessers d&sub1; zum Durchmesser d&sub2; des zentralen Abschnitts des Einschnürungsbereichs N wird als das Ziehverhältnis R bezeichnet. Der Bereich N ist als einen konstanten Durchmesser aufweisend dargestellt, obwohl er eine geringfügige Verjüngung aufweist, wodurch die Längsmitte des Abschnitts N den minimalen Durchmesser zeigt. Die Kopplungseigenschaften des resultierenden Kopplers sind durch Parameter, wie etwa die optischen und mechanischen Eigenschaften des Rohrs 0 und der Fasern F&sub1; und F&sub2; und die Kopplerparameter, wie etwa die Länge Z, den Einschnürungsbereich N und die verjüngten Bereiche T bestimmt.
Optische Energie kann in eine optische Eingangsfaser gekoppelt werden und die Ausgangssignale können überwacht werden, um Prozeßschritte beim Kopplerherstellungsprozeß zu kontrollieren bzw. steuern. Siehe beispielsweise das US-Patent 5 011 251. In dem speziellen nachfolgend erläuterten Beispiel wird die Ausgangsenergie bzw. Ausgangsleistung während des Streckens nicht überwacht. Aufgrund bisheriger Erfahrung mit optischen Überhüllenfaserkopplern betrug die gesamte Streckdistanz für beide Stufen üblicherweise zwischen 12 und 16 mm. Die in diesem Bei spiel erläuterten Koppler wurden deshalb anfänglich auf eine bestimmte Distanz innerhalb dieses Bereichs gelängt. Die optischen Eigenschaften der resultierenden Vorrichtung wurden gemessen und die Streck- oder Längungsdistanz des nachfolgend hergestellten Kopplers wurde derart eingestellt, daß die gewünschten Eigenschaften besser erzielt wurden. Durch diesen Prozeß wurde die optimale Streckungsdistanz erzielt. Daraufhin wurden sämtliche Koppler dieses Typs mit der optimalen Distanz gestreckt, um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erzielen. Prozeßparameter, wie etwa die Längungsdistanz, können als Ergebnis optischer Charakterisierung der hergestellten Koppler fein abgestimmt werden.
Eine theoretische Analyse wurde für achromatische 1 · 2- oder 2 · 2-Faser-3 dB-Koppler unter Verwendung einer Kopplungsmodustheorie durchgeführt, um ihr Verhalten zu modulieren. Die Analyse basierte auf den Prinzipien, die in der Veröffentlichung A. W. Snyder und J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman und Hall, New York, 1983, gelehrt sind. In Übereinstimmung mit dieser Theorie wurde davon ausgegangen, daß das Modusfeld des 2 · 2-Überhüllenkopplers von Fig. 2 eine lineare Kombination der Grundmodi ψ&sub1; und ψ&sub2; von jedem der Fasern F&sub1; und F&sub2; bei Abwesenheit der anderen Faser ist, d. h. mit der Faser, welche ausschließlich durch Überhüllenindexmaterial n&sub3; umgeben ist. Die Ausbreitungskonstanten und Modusfelder können für eine derartige Struktur exakt ermittelt werden (siehe M. J. Adams, An Introduction to Optical Waveguides).
Die Kopplungskonstante, welche die optische Kopplung zwischen den zwei Kernen beschreibt, kann dabei als Überlappungsintegral geschrieben werden:
C = Ψ&sub1;(r)Ψ&sub2;(r')(n - n')dA (2)
In dieser Gleichung handelt es sich bei ψ&sub1; und ψ&sub2; um die Modusfelder der zwei Kerne, bei r und r' handelt es sich um die radialen Distanzen bzw. Abstände vom Zentrum der Kerne der Fasern F&sub1; bzw. F&sub2;, bei n handelt es sich um die Indexstruktur des gesamten Kopplers, bei n' handelt es sich um die Indexstruktur, bei welcher der Kern und der Überzug bzw. die Hülle von F&sub1; durch Überhüllenmaterial mit dem Index n&sub3; ersetzt ist, und das Integral verläuft über dem gesamten Querschnitt des Kopplers (n - n' ist jedoch lediglich über dem Kern und dem Überzug der Faser F&sub1; nicht null). Die Modusfelder werden als in dieser Gleichung normalisiert angenommen, d. h., die Integrale Ψ&sub1;²dA und Ψ&sub2;²dA sind beide gleich 1.
Während es sich hierbei um verjüngte Vorrichtungen handelt, ist ihr qualitatives Verhalten in angemessener Weise modelliert, indem ein konstantes Ziehverhältnis über eine gegebene Kopplungslänge vorausgesetzt wird, wobei außerhalb dieser Länge keine Kopplung vorliegt, d. h., unter der Annahme, daß der Durchmesser des Bereichs N von Fig. 2 über die gesamte Länge z konstant ist. Diese Annäherung arbeitet zufriedenstellend, weil die Kopplungskonstante eine rasch wachsende Funktion des Ziehverhältnisses ist, wodurch das Verhalten eines Kopplers durch das Verhalten beim höchsten Ziehverhältnis dominiert ist. Unter Verwendung dieser Annäherung bzw. Approximation, wobei die Energie in den Kern 1 eingespeist wird, ist deshalb als Funktion von z, der Länge entlang der Kopplerachse, die Energie in den zwei Kernen gegeben durch
P&sub1;(z) = 1 - F²sin²(Cz/F) (3)
und
wobei der Faktor F gegeben ist durch
wobei β&sub1; und β&sub2; die Ausbreitungskonstanten der Fasern F&sub1; bzw. F&sub2; sind.
Für einen Drei-Wellenleiterkoppler wie bei der vorliegenden Erfindung, wobei eine Einheitsenergie in den Wellenleiter 1 eingespeist und in die Wellenleiter 2 und 3 gekoppelt wird, und wobei die Wellenleiter 2 und 3 zueinander identisch sind (β&sub3; = β&sub2;), sich jedoch vom Wellenleiter 1 unterscheiden, ist als Funktion der Länge z die im Kern verbleibende Energie gegeben durch
P&sub1;(z) = 1 - F²sin²(Cz/F) (6)
wobei
Die Kopplungskoeffizienten zwischen den Wellenleitern 1 und 2, C&sub1;&sub2;, und zwischen den Wellenleitern 2 und 3, C&sub2;&sub3;, sind durch einen Ausdruck ähnlich Gleichung 2 gegeben, jedoch mit Indices und Modi, die unabhängig davon passen bzw. geeignet sind, welches Paar in Betracht gezogen wird [ψ&sub1; und ψ&sub2; für C&sub1;&sub2;, ψ&sub2; und ψ&sub3; für C&sub2;&sub3;]. Aufgrund der Symmetrie gilt C&sub1;&sub3; = C&sub1;&sub2;. Die in die anderen Wellenleiter gekoppelte Energie ist gegeben durch
P&sub2;(Z) = P&sub3;(Z) = 1/2[1 - P&sub1;(z)]
Um eine vollständige Kopplung vom Eingangswellenleiter zu bzw. für P&sub2; und P&sub3; (P&sub1;→0) zu erzielen, ergibt sich daraus, daß es erforderlich ist, daß F = 1, was erfordert, daß β&sub1;-β&sub2; = C&sub2;&sub3;. Mit anderen Worten muß für eine komplette Kopplung die Eingangsfaser eine Ausbreitungskonstante aufweisen, die geringfügig größer ist als diejenige der zwei Ausgangsfasern.
Die Ergebnisse können quantitativer dargestellt werden, indem die Kopplungsgleichungen entlang der Verjüngung integriert werden. Noch genauere Simultationen können durchgeführt werden, indem Strahlausbreitungstechniken (Fourier-Transformation, finite Differenz und dergleichen) verwendet werden, jedoch auf Kosten stark erhöhter Rechenzeit.
Das Modell mit gekoppeltem Modus wurde verwendet, um die Kopplungskonstante für 2 · 2-Koppler als Funktion des Zielverhältnisses für drei unterschiedliche Wellenlängen in einem Koppler mit einem Δ&sub2;&submin;&sub3;-Wert von 0,35% zu ermitteln. Der größte Teil der Annahmen, die betreffend Kopplungsparameter gemacht werden, basieren auf Arbeit bezüglich Standardüberhüllenkopplern. Es wurde angenommen, daß die Fasern F&sub1; und F&sub2; Standard-Einzel modusfasern mit einem Außendurchmesser von 125 um und einem Kernradius von 4 um sind. Die Kern- und -überzugs- bzw. -hüllenbrechungsindices n&sub1; und n&sub2; wurden angenommen als 1,461000 bzw. 1,455438. Das Modell wurde verwendet, um die Kurve von Fig. 4 zu erstellen, welche den physikalischen Mechanismus zeigt, der für die Verbesserung der Achromatizität der Koppler gemäß der vorliegenden Erfindung verantwortlich ist. In Fig. 4 ist die Kopplungskonstante als Funktion des inversen Ziehverhältnisses für einen Parallelkern-2 · 2-Koppler aufgetragen. Daraus ergibt sich, daß die Kopplungskonstante bei gegebener Wellenlänge sehr rasch mit vergrößertem Ziehverhältnis zunimmt. Bei sehr großen Ziehverhältnissen liegt jedoch in den Kurven ein Maximum vor. Dies ist verursacht durch die Tatsache, daß die Modusfelderweiterung bzw. -expansion gegebenenfalls so groß wird, daß die Überlappung zwischen den Modusfeldern der zwei Fasern in dem Bereich, der aus dem Kern und der Hülle bzw. dem Überzug von einer der Fasern besteht (dort, wo das Kopplungskonstantenüberlappungsintegral genommen wird), tatsächlich abnimmt, weil die Modusfeldamplitude abnimmt. Bei Ziehverhältnissen, die signifikant kleiner sind als das Maximum, ist die Kopplungskonstante bei längeren Wellenlängen größer, weil ihre Ausdehnung aufgrund von Brechungseffekten größer ist. Diese Tatsache impliziert jedoch, daß die maximale Kopplung bei längeren Wellenlängen mit einem kleineren Ziehverhältnis auftritt, weil das Ziehverhältnis, bei welchem die maximale Kopplung auftritt, durch denjenigen Punkt ermittelt wird, bei welchem eine weitere Modusfeldausdehnung das Ausmaß verringert, um welches das Modusfeld von einem Kern dasjenige des anderen Kerns überlappt. Da die Modusfeldausdehnung größer bei größeren Wellenlängen für ein gegebenes Ziehverhältnis ist, tritt das Maximum bei kleineren Werten von R für längere Wellenlängen auf. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist dies Anlaß dafür, daß die Kopplungskonstantenkurven sich schneiden.
Um in einer nicht verjüngten parallelen Kernvorrichtung mit einem einzigen Ziehverhältnis (siehe Fig. 2) ein achromatisches Leistungsverhalten zu erzielen (beispielsweise gleiche Kopplung bei etwa 1300 und 1500 nm), muß die Kopplergoemetrie so gewählt werden, daß sie beim Überkreuzungspunkt der Kopplungskonstantenkurven RCROSS für die zwei Wellenlängen arbeitet, wie in Fig. 4 gezeigt. In einer verjüngten Vorrichtung, welche eine Geometrie aufweist, welche sämtliche Ziehverhältnisse bis hin zu einem Maximum, Res, umfaßt, ist es erforderlich, daß RMAX> RCROSS (damit 1/RMAX links vom Überkreuzungspunkt in Fig. 4 liegt). Dies ist bei niedrigen Ziehverhältnissen in der Nähe der Enden der Verjüngung (siehe Bereich LW zwischen den strichlierten Linien 5 und 6 von Fig. 5) der Fall, weil die Kopplung bei längeren Wellenlängen stärker ist und Wellenlicht derart langer Wellenlänge stärker koppelt. Durch eine Führung der Verjüngung derart, daß RMAX> RCROSS, umfaßt der Koppler auch einen Bereich SW (zwischen den strichlierten Linien 4 und 5), wo die Kopplung bei kürzeren Wellenlängen stärker ist, wodurch ein kleiner Ziehverhältnisbereich kompensiert wird. Die Bereiche SW und LW betreffen die Verjüngung des Rohrs 3b von Fig. 5. Der exakte Wert von RMAX muß durch numerische Integration der Kopplungsgleichungen über die verjüngte Vorrichtung ermittelt werden.
Aus Fig. 4 und der vorstehend angeführten Diskussion betreffend diese ergibt sich, daß ein Ziehverhältnis von etwa 10 : 1 erforderlich wäre, um einen achromatischen Koppler herzustellen, bei welchem Δ&sub2;&submin;&sub3; 0,35% beträgt. Ein derart hohes Ziehverhältnis kann zu einem relativen hohen Überschußverlust aus dem folgenden Grund führen. Höhere Ziehverhältnisse verursachen eine Vergrößerung der Kopplungsstärke, was eine kürzere Kopplungsdistanz z erfordert. Diese Beziehung ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher die Außenflächen der zwei gestreckten Rohre 3a und 3b durch durchgezogene bzw. strichlierte Linien gezeigt sind. Da das Rohr 3b ein größeres Ziehverhältnis als das Rohr 3a aufweist, muß das Rohr 3b eine kürzere Kopplungsdistanz z als das Rohr 3a aufweisen, um dieselbe Kopplung (im ersten Zyklus der Energieübertragungskurve) zu erzielen. Diese Energieübertragungskurve ist im US-Patent 5 011 251 in Verbindung mit Fig. 6 dieses Patents diskutiert.
Es ist bekannt, daß unerwünschtes Moduskoppeln von dem LP&sub0;&sub1;- Grundmodus zu höheren Modi für die steileren Verjüngungen des hohen Ziehraten/kurzen Kopplungsbereichs des Rohrs 3b stärker wird. Diese nicht-adiabatische Kopplung vermag den Kopplerüberschußverlust zu vergrößern.
Das vorstehend genannte Modell wurde verwendet, um die theoretisch erforderlichen Verjüngungsparameter für 1 · 2-Doppelfensterschalter zu berechnen. Eine Erläuterung des Ziehverhältnisses eines verjüngten Kopplers als Funktion der Distanz z entlang seiner Länge (Ursprung von z im maximalen Ziehverhältnispunkt) kann in einfacher Weise als Gauss-Funktion unter Nutzung des maximalen Ziehverhältnisses, RMAX, und des Gauss'schen Breitenparameters, &sub0;, gegeben sein. Es ist gegeben durch
R(z) = 1 + (RMAX - 1)exp[-(z/ &sub0;)²] (9)
Typische Werte für diese Parameter für einen Standard-2 · 2-WDM- Koppler sind RMAX von 3 bis 6 und &sub0; von 3000 bis 6000 um. Das Modell ergibt, daß Werte der Parameter RMAX und &sub0; im Bereich aktueller Kopplerwerte für sehr kleine Werte von Δ&sub2;&submin;&sub3; liegen. Unter "aktueller Koppler" werden Überhüllenkoppler des Typs verstanden, der im US-Patent 5 011 251 erläutert ist, demnach Δ&sub2;&submin;&sub3; größer als 0,26% ist. Die kleineren Werte von Δ&sub2;&submin;&sub3; verschieben die Kurven von Fig. 4 nach rechts (in Richtung zu kleineren Werten des Ziehverhältnisses) und nach unten (in Richtung auf kleinere Werte der maximalen Kopplungskonstante), wodurch achromatische Koppler mit problemlos erzielbaren Ziehverhältnisse hergestellt werden können. Wenn der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner gemacht wird, wird der erforderliche Wert für RMAX kleiner, und die notwendige Kopplungslänge (dargestellt durch den Gauss'schen Breitenparameter, &sub0;) wird größer. Dadurch wird die Verjüngung weniger steil.
Ein theoretisches Maximum für den Δ&sub2;&submin;&sub3;-Wert, das verwendet werden kann, kann erzielt werden, indem Beschränkungen aufgrund der nichtadiabatischen Moduskopplungen in Betracht gezogen werden. Die Ausbreitungskonstanten (β) wurden für die LP&sub0;&sub1;- und LP&sub0;&sub2;-Modi berechnet. Bei dem LP&sub0;&sub2;-Modus handelt es sich um den Modus niedrigster Ordnung, welcher den LP&sub0;&sub1;-Modus in einem idealen angepaßten Faserkoppler koppelt. Aus der Gleichung (6) und βs der LP&sub0;&sub1;- und LP&sub0;&sub2;-Modi wurden die Parameter 1/a da/dz und 1/2π[β(LP&sub0;&sub1;)-β(LP&sub0;&sub2;)] ermittelt, wobei a der Kernradius ist und z die Distanz, gemessen entlang der Kopplerachse. Für ein adiabatisches Leistungsprofil muß die folgende Beziehung existieren:
1/2π[β(LP&sub0;&sub1;)-β(LP&sub0;&sub2;] - 1/a da/dz > 0 (10)
Der Differenzparameter der Gleichung (7), vorliegend als "NAT- Differenz" bezeichnet, ist als Funktion von Δ&sub2;&submin;&sub3; in Fig. 6 für die Wellenlängen 1310 und 1550 nm aufgetragen. Die NAT-Differenz wurde für Δ&sub2;&submin;&sub3;-Werte von 0,02% bis 0,14% bei jeder der zwei Wellenlängen berechnet. Diese 1310-nm-Kurve erfährt eine NAT-Differenz von null bei einem maximal möglichen theoretischen Δ&sub2;&submin;&sub3;-Wert von etwa 0,125%. Aus der praktischen Erfahrung wurde abgeleitet, daß signifikante Verbesserungen der Achromatizität mit Δ&sub2;&submin;&sub3;-Werten von etwa 0,045% oder weniger oder kleineren bei Wellenlängen im Bereich von 1300 bis 1550 nm erzielt werden können. Mit Verjüngungen, die auf einer Ziehanlage des in Fig. 9 gezeigten Typs erzielt werden können, können achromatische Koppler nicht gebildet werden, wenn Δ&sub2;&submin;&sub3; 0,09% betrug. Um achromatische Koppler mit Δ&sub2;&submin;&sub3;-Werten größer als 0,045% herzustellen, können Rohre mit kleinerem Außendurchmesser verwendet werden und außerdem ein Brenner, der in der Lage ist, eine kleinere jedoch dichter fokussierte Flamme bereitzustellen. Beste Ergebnisse wurden mit Δ&sub2;&submin;&sub3;-Werten von etwa 0,01% bis 0,02% erzielt. Die untere Grenze für die Meßbarkeit von Δ&sub2;&submin;&sub3; beträgt 0,01%.
Die vorstehend angeführte Diskussion stellt Einzelheiten der Prinzipien der Erfindung im Zusammenhang mit zwei Faserkopplern dar, der einfachsten Faseranordnung, aus welcher Überhüllenkoppler hergestellt werden können. Wie in Fig. 3 gezeigt, bleibt auf gegenüberliegenden Seiten der Fasern F&sub1; und F&sub2; vor dem Schritt des Schrumpfens des Rohrs T auf die Fasern viel freier Raum V. Im den Stand der Technik betreffenden Teil wurde ausgeführt, daß achromatische Koppler mit geringem Verlust mit problemloser hergestellten verjüngten Abschnitten relativ niedrige Δ&sub2;&submin;&sub3;-Werte erfordern. In einem 2-Faserachromat können damit die Fasern durch den Druck verzerrt werden, der durch das Rohr hoher Viskosität während des Rohrschrumpfschritts ausgeübt wird; diese Verzerrung verursacht eine Vergrößerung des Kopplerüberschußverlusts.
Das Faserverformungsproblem wurde deutlich verringert durch Verwendung der in Fig. 7 und 8 gezeigten dreieckigen Faseranordnung. In dieser Ausführungsform wird die Überzüge bzw. Hüllen 23, 24 und 25 von den Enden der beschichteten Fasern 17, 18 und 19 abgezogen bzw. gestrippt und die Enden der Fasern sind mit Antireflexionsabschlüssen versehen, wie nachfolgend erläutert. Die Eingangsfaser 20 wird in ein Ende der Bohrung 11 des Rohrs 10 eingeführt, und die Ausgangsfasern 21 und 22 werden in das andere Ende eingeführt. Die Fasern werden an Ort und Stelle durch eine kleine Menge Epoxid festgeklebt. Die Koppler-Vorform wird daraufhin in Ziehspannfuttern angeordnet, das Rohr 10 wird evakuiert und sein Mittenbereich wird erhitzt und auf die Fasern geschrumpft. Der zentrale Abschnitt des Mittenbereichs wird daraufhin tiefgezogen bzw. heruntergezogen auf einen Durchmesser und eine Kopplungslänge, die erforderlich sind, die gewünschte Kopplung zu erzielen. Die Faserkerne werden dadurch in einer dreieckigen Gruppierung in dem Kopplungsbereich, betrachtet in der Ebene senkrecht zur Längsachse des Kopplerkörpers angeordnet.
Der Koppler kann gezogen werden, um einen verjüngten Bereich derart zu bilden, daß die in die Eingangsfaser injizierte Energie im wesentlichen gleichmäßig und vollständig in die zwei Ausgangsfasern gekoppelt wird, wodurch die im wesentlichen parallelen Einfügungsverlustkurven erzeugt werden, die in Fig. 10 gezeigt sind. Um die Energieübertragung von der Eingangsfaser zu maximieren, muß der Wellenleiter aus Ein gangsfaserkern/Hülle/Überhülle eine Ausbreitungskonstante β1CR im Kopplungsbereich aufweisen, der geringfügig größer ist als β2CR, wobei die Ausbreitungskonstante von jedem der zwei Wellenleiter mit Ausgangsfaserkern/Hülle/Überhülle konstant ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der Überzug bzw. die Hülle der Eingangsfaser mit geringfügig mehr Chlor dotiert wird als diejenige Menge, die in den Hüllen bzw. Überzügen der Ausgangsfasern vorliegt. Diese Technik, die dafür sorgt, daß der Brechungsindex der Eingangsfaserhülle bzw. des Eingangsfaserüberzugs größer ist als derjenige der Ausgangsfaserhülle bzw. der Ausgangsfaserüberzugs ist im US-Patent 5 011 251 erläutert.
Die Theorie zur Verbesserung der Achromatizität durch Verwenden kleiner Werte von Δ&sub2;&submin;&sub3;, die vorstehend in Verbindung mit achromatischen 2 · 2-Überhüllenkopplern diskutiert ist, trifft auch zu auf 3-Faser-1 · 2- und -1 · 3-Koppler. Durch Verwenden eines Δ&sub2;&submin;&sub3;-Werts kleiner als 0,02% sind die Einfügverlustkurven der Vorrichtung von Fig. 7 und 8 relativ flach; sie zeigen außerdem eine sehr gute Ausgangsfasereinfügverlustgleichmäßigkeit.
Da die dreieckige Geometrie gemäß Fig. 7 und 8 die Bohrung 11 stärker mit Glas füllt als die 2-Fasergeometrie gemäß Fig. 3, resultiert sie in einer geringeren Faserverzerrung während des Schritts des Schrumpfens des Rohrglases um die Fasern. Koppler, die durch die Ausführungsform gemäß Fig. 7 und 8 hergestellt werden, zeigen deshalb einen geringeren Überschußverlust.
Aus dieser dreieckigen 1 · 2-Faseranordnung resultieren weitere Vorteile. Ausschließlich die Enden der Fasern müssen gestrippt werden im Gegensatz zu dem Strippbeschichten, ausgehend vom Zentrum der Durchgangsfaser oder -fasern in den 2-Faserausführungsformen, wie sie etwa in Fig. 3 gezeigt sind. Darüber hinaus erfordert diese Vorgehensweise zur Kopplerherstellung nicht, daß eine Faser durch die Rohrbohrung gefädelt wird. Diese Unterschiede führen dazu, daß dieser Koppler problemlos herstellbar und für Massenproduktion geeignet ist.
Diese dreieckige Faseranordnung kann auch verwendet werden, um achromatische 1 · 3-Energieverteiler herzustellen. Bei vorbestimmten Wellenlängen kann ein Drittel der Eingangsenergie veranlaßt werden, in der Eingangsfaser zu verbleiben, die sich durch den Koppler fortsetzt und als dritte Ausgangsfaser dient. Es wird bemerkt, daß der Überzug bzw. die Hülle von dem zentralen Bereich dieser Eingangs/Fortsetzungsausgangs-Faser anstelle von ihrem Ende gestrippt werden muß. Um die Energie in sämtlichen der Fasern zu vergleichmäßigen, einschließlich dem Ausgangsabschnitt der Eingangsfaser, muß die Eingangs/Fortsetzungsausgangs-Faser mit einer Ausbeutekonstanten versehen werden, die sich von derjenigen der verbleibenden Ausgangsfasern unterscheidet. Das ΔβCR und die Verjüngung müssen so gewählt werden, daß die Eingangsverlustkurven der zwei gekoppelten Ausgangsfasern so verlaufen, wie durch die Kurve 58 von Fig. 11 gezeigt, und die Einfügverlustkurve für die Eingangs/Fortsetzungsausgangs-Faser muß so verlaufen, wie durch die Kurve 57 gezeigt. Ein derartiger ΔβCR-Wert kann erzielt werden, indem eine Eingangsfaser mit einem Überzugs- bzw. Hüllenbrechungsindex verwendet wird, die einen anderen Brechungsindex aufweist als die restlichen Fasern. In einem derartigen 1 · 3-3-Faserkoppler wäre etwa die dreifache Chlordisparität bzw. -unterschiedlichkeit zwischen den Hüllen bzw. Überzügen der Durchleitfaser und den zwei energiegekoppelten Ausgangsfasern im Vergleich zu dem Fall erforderlich, der für einen 1 · 2-3-Faserkoppler erforderlich ist. Ein anderer Dotierstoff als Chlor kann verwendet werden, um die erforderliche Brechungsindexdisparität bereitzustellen und zu veranlassen, daß der erforderliche Eingangsenergiepegel in der Eingangs/Durchleit-Faser rückgehalten wird.
Es gibt eine Anzahl unterschiedlicher Ansätze, die verfolgt werden können, um die erforderlichen sehr kleinen Werte von Δ&sub2;&submin; &sub3; zu erzielen. Ein Ansatz besteht in der Verwendung eines reinen SiO&sub2;-Rohrs und von optischen Fasern mit Chlor dotierten Hüllen bzw. Überzügen, um sie mit einem Brechungsindex zu versehen, der größer ist als derjenige des Silikarohrs. Diese Technik erbringt eine gute Steuerung des Brechungsindex von sowohl dem Rohr wie dem Faserüberzug. Die Polarisationsvariabilität war gut. Der Hauptnachteil dieser Kombination von Gläsern ist, daß er zu einer sehr geringen Differenz der Viskosität zwischen dem Rohr und den Fasern führt. Dies führt dazu, daß die Fasern sich verformen und zu einem relativ hohen Überschußverlust.
Kommerziell erhältliche optische Einzelmodusfasern haben üblicherweise einen Wert von n&sub2; gleich oder in der Nähe von demjenigen von Silika. Wenn dieser Faser-Typ verwendet wird, kann das Rohr aus Silika, dotiert mit einer geringen Menge von B&sub2;O&sub3; (im Bereich von 0,15 Gew.-% bis 1,0 Gew.-%) dotiert werden. Das B&sub2;O&sub3; erweicht das Glasrohr relativ zu dem Faserüberzugsglas, was zu einer Ausbildung von Kopplern mit niedrigem Überschußverlust führt.
Wenn das Faserüberzugsglas Fluor enthält, mithin einen Dotierstoff, der den Brechungsindex drückt bzw. verringert, kann das Silikarohr eine ausreichende Menge von B&sub2;O&sub3; enthalten, um den Rohrbrechungsindex auf das Niveau zu drücken, das erforderlich ist, einen Δ&sub2;&submin;&sub3;-Wert kleiner als 0,125% bereitzustellen.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, ein Rohr aus einem Basisglas herzustellen, das mit einem oder mehreren Brechungsindexverringernden Dotierstoffen, wie etwa B&sub2;O&sub3; und Fluor, und einem oder mehreren Brechungsindex-erhöhenden Dotierstoffen, wie etwa GeO&sub2; und TiO&sub2;, dotiert ist. Die Kombination der zwei Typen von Dotierstoffen erbringt einen Brechungsindex n&sub3;, der in dem gewünschten Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; resultiert. Die Verwendung von Rohren mit relativ weichem Glas fördert zu einem gewissen Ausmaß das Schrumpfen des Rohrs auf die Fasern; das Rohrglas fließt um die Fasern herum, ohne ihre Form so stark zu verzerren, wie im Fall eines härteren Glases. Aufgrund des schwierigen Austarierens von Dotierstoffen, die bei dieser Ausführungsform erforderlich ist, ist sie schwierig zu implementieren.
Das Überhüllenrohr ist bevorzugt hergestellt durch eine Dampfabscheidungstechnik, die mitunter auch als Flammenhydrolyseprozeß bezeichnet wird. Das Rohr kann auch aus geschmolzenem Glas oder durch eine Solgeltechnik hergestellt werden.
Außerdem sind Rohre mit radialen Änderungen bezüglich der Zusammenetzung verwendet worden, um achromatische Koppler herzustellen. Der Innenbereich des Rohrs benachbart zu der Rohrbohrung wird aus einer Zusammensetzung gebildet, welche den gewünschten Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; bereitstellt. Der Rest des Rohrs kann aus einem oder mehreren Bereichen gebildet werden, die Brechungsindices aufweisen, die sich vom inneren Bereich unterscheiden. In dem in Fig. 12 gezeigten Beispiel kann der Innenbereich des Rohrs zwischen der Innenfläche ris und dem Übergangsradis rt eine kleine Menge an B&sub2;O&sub3; enthalten, um einen ausreichend niedrigen Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; bereitzustellen, um den Koppler mit Achromatizität zu versehen. Der Außenrohrbereich zwischen rt und der Außenfläche ro kann eine höhere Konzentration an B&sub2;O&sub3; als der Innenbereich enthalten. Die höhere B&sub2;O&sub3;- Konzentration führt zu einem Bereich mit niedrigerem Brechungsindex, wodurch eine bessere Einschließung der optischen Energie erzielt wird. Koppler mit ähnlichen Überschußverlusten wurden unter Verwendung von Rohren mit im wesentlichem konstanten radialen Brechungsindex wie Rohren mit stufenweiser Abnahme des Brechungsindex mit dem Radius gewonnen.
Eine Disparität der Ausbreitungskonstanten zwischen Eingangs- und Ausgangsfasern kann außerdem erreicht werden, indem Fasern unterschiedlicher Durchmesser verwendet werden.

Beispiel 1

Ein Verfahren zur Herstellung eines optischen achromatischen 1 · 2-Doppelfensterfaserkopplers ist in Fig. 7 bis 9 dargestellt. Ein Glaskapillarrohr 10 mit einer Länge von 3,8 cm, einem Außendurchmesser von 2,8 mm und einem Längsbohrungsdurchmesser von 265 um wurde verwendet. Das Rohr 10, das durch einen Flammenhydrolyseprozeß hergestellt wurde, wurde aus Silika gebildet, das mit etwa 0,5 Gew.-% B&sub2;O&sub3; dotiert war.
Beschichtete Fasern 17, 18 und 19 umfaßten optische Einzelmodusfasern 20, 21 und 22 einer Länge von 1,5 m und einem Durchmesser von 125 um, die jeweils Urethanacrylatbeschichtungen 23, 24, 25 mit einem Durchmesser von 250 um aufweisen. Diese Fasern, die in Übereinstimmung mit den Lehren des US- Patents Nr. 5 011 251 hergestellt wurden, hatten einen Silikakern mit einem Durchmesser von 8 um und dotiert mit 8,5 Gew.-% GeO&sub2;. Das Wellenlängenübertragungsende der Fasern lag unter der Betriebswellenlänge des Kopplers. Wenn beispielsweise die minimale Betriebswellenlänge 1260 nm beträgt, sind die Übertragungsendwellenlängen der Fasern als zwischen 1200 nm und 1250 nm liegend gewählt.
Die anfänglichen Schritte des Prozesses zur Herstellung sämtlicher der Fasern waren dieselben. Eine allgemeine Beschreibung dieses Prozesses ist in den US-Patenten 5 011 251 und 4 486 212 erläutert. Eine Beschichtung aus Kernglaspartikeln wurde auf einem Dorn abgeschieden und eine dünne Beschichtung aus SiO&sub2;-Partikeln wurde auf der Kernglasbeschichtung abgeschieden. Der Kern wurde entfernt und die resultierende poröse Vorform wurde allmählich in einen Ofen mit einer Aluminiumoxidmuffel eingeführt, wo sie getrocknet und konsolidiert bzw. verfestigt würde, während eine Chlor und Helium enthaltendes Gasgemisch in das zentrale Loch strömengelassen wurde, aus welchem der Dorn entfernt wurde. Ein Helium und Sauerstoff enthaltendes Spülgas wurde ausgehend vom Boden der Muffel aufwärts strömengelassen. Nachdem die poröse Vorform sich verfestigt hatte, wurde die Öffnung evakuiert, und das untere Ende des rohrförmigen Körpers wurde erhitzt und gezogen, um einen 5 mm Massivglasstab zu bilden. Der Stab wurde zur Ausbildung von Abschnitten unterteilt, von denen jeder in eine Drehmaschine eingesetzt wurde, wo er als Dorn funktionierte, auf welchem SiO&sub2;-Überzugsglaspartikel abgeschieden wurden, um eine endgültige poröse Vorform zu bilden.
Endgültige poröse optische Faservorformen wurden in einem Gasgemisch in herkömmlicherweise sich verfestigen gelassen, das Helium, Chlor und Sauerstoff enthält. Die verwendete Chlormenge, bei der es sich üblicherweise um diejenige Menge han delt, die gerade eben ausreicht, die abgeschiedenen Überzugsglaspartikel zu trocknen, hängt von verschiedenen Parametern ab, einschließlich der Dichte der porösen Überzugsglasbeschichtung und der Verfestigungstemperatur. Die endgültige poröse Vorform der Eingangsfasern und der Ausgangsfasern wurden gebildet und unter derartigen Bedingungen sich verfestigen gelassen, daß die Chlorkonzentration in dem Eingangsfaserüberzug 0,10 Gew.-% betrug und die Chlorkonzentration in dem Ausgangsfaserüberzug 0,05 Gew.-% betrug. Die Brechungsindices der Überzüge der Eingangs- und Ausgangsfasern waren derart gewählt; daß der Wert von ΔCLADS 0,005% betrug, wobei ΔCLADS = (n&sub2;²-n2'²)/n&sub2;², n&sub2; den Brechungsindex des Überzugs der Eingangsfaser 20 darstellt und n&sub2; den Brechungsindex des Übergangs der Ausgangsfasern 21 und 22 darstellt.
Ein 6 cm langer Abschnitt der Beschichtung wurde von den Enden jeder Länge der beschichteten Fasern entfernt.
Antireflexionsabschlüsse 26, 27 und 28 wurden auf dem Ende der Fasern durch Richten einer Flamme an das Zentrum des gestrippten Bereichs der Faser gebildet, während das Ende der Faser gezogen und abgeschnitten wurde, um ein verjüngtes Ende zu bilden. Die Spitze bzw. das Spitzenende der Faser 20 wurde durch eine Brennerflamme erhitzt, um das Glas zu veranlassen, zu schwinden, und eine gerundete Endfläche zu bilden, deren Durchmesser gleich oder geringfügig kleiner als derjenige der ursprünglichen unbeschichteten Faser war. Die resultierenden gestrippten Endbereiche waren etwa 3,2 cm lang.
Die unbeschichteten Abschnitte der Fasern wurden abgewischt. Die Fasern 21 und 22 wurden durch einen Trichter 13 und in eine Bohrung 11 geführt, bis die Endbereiche der Beschichtungen 24 und 25 innerhalb des Trichters 13 zu liegen kamen, und das Ende 26 wurde zwischen dem Mittenbereich 27 und dem Rohrende 15 angeordnet. Die Faser 20 wurde durch den Trichter 12 und in die Bohrung 11 eingeführt, bis der Endbereich der Beschichtung 23 innerhalb des Trichters 12 zu liegen kam, und die Enden 27 und 28 wurden zwischen dem Mittenbereich 27 und dem Rohrende 14 angeordnet. Eine kleine Menge UV-aushärtbaren Klebstoffs (nicht gezeigt) wurde auf die Fasern 18 und 19 in der Nähe des Endes 15 aufgetragen, um sie an den Trichter 13 zu kleben und die Faser 17 in der Nähe des Endes 14 an den Trichter 12 zu kleben. Die Vorform 31 wurde daraufhin durch einen Ringbrenner 34 (Fig. 9) eingeführt und festklemmt, um Spannfutter 32 und 33 zu ziehen. Die Spannfutter wurden auf motorgesteuerten Tischen 45 und 46 angebracht. Die Fasern wurden durch die Vakuumanschlüsse 41 und 41' gefädelt, die jeweils mit Vakuumleitungen 42 und 42' verbunden waren. Die Vakuumanschlüsse 41 und 41' wurden an die Enden des Rohrs 10 dicht angeschlossen, wie im US-Patent 5 011 251 gelehrt. Ein Ende einer Länge eines dünnen Gummirohrs 43 wurde an diesem Ende des Vakuumanschlusses 41 in Gegenüberlage zur Vorform 31 befestigt; das verbleibende Ende des Rohrs erstreckte sich innerhalb der Rohrfestklemmeinrichtung, wie durch Pfeile 44 bezeichnet. Dem oberen Vakuumanschluß 41' war in ähnlicher Weise das Rohr 43# und die Rohrfestklemmeinrichtung 44' zugeordnet. Die beschichteten Abschnitte der Fasern erstreckten sich aus dem Rohr 43 und 43' heraus. Vakuum wurde an die Kopplervorform 31 angelegt, indem Luftdruck gegen das bzw. zu dem Rohr 43 und 43' gerichtet wurde, wie durch Pfeile 44, 44' bezeichnet, wodurch das Rohr gegen die Fasern geklemmt wurde, das sich durch dieses hindurch erstreckt.
Mit einem Vakuum von 46 cm Quecksilbersäule, angelegt an die Rohrbohrung, wurde der Ringbrenner 34 gezündet. Flammen wurden erzeugt, indem dem Brenner Gas und Sauerstoff mit Raten von 0,55 slpm bzw. 1,10 slpm zugeführt wurden. Die Flamme vom Ringbrenner 34 erhitzte das Rohr 10 für etwa 12 Sekunden und der Rohrmittenbereich 27 schrumpfte auf die Fasern.
Nachdem das Rohr abgekühlt war, wurde der Brenner erneut gezündet, und die Durchflußraten von sowohl dem Gas wie dem Sauerstoff waren dieselben. Die Flammen erhitzten das Zentrum des geschrumpften Bereichs auf den Erweichungspunkt der dort vorliegenden Materialien. Nach 10 Sekunden wurde die Sauerstoffzufuhr zum Brenner 34 unterbrochen. Die Tische 45 und 46 wurden in entgegengesetzten Richtungen mit einer kombinierten Geschwindigkeit von 1,0 cm/s gezogen, um das Rohr 10 um 0,65 cm zu längen, um einen Einschnürungsbereich 61 zu bilden (Fig. 12), dessen Verjüngung derart war, daß in die Eingangsfaser geleitete Energie im wesentlichen gleichmäßig und vollständig in die zwei Ausgangsfasern gekoppelt wurde.
Nachdem der Koppler abgekühlt war, wurden die Vakuumleitungen entfernt und Tropfen 62 und 63 von Klebstoff wurden auf die Enden 14 und 15 des Rohrs aufgetragen. Der Klebstoff wurde durch Belichtung mit UV-Licht ausgehärtet und der Koppler wurde von dem Spannfuttern entfernt.
Die spektralen Einfügungsverlustkurven für den in Übereinstimmung mit dem Beispiel 1 hergestellten Koppler sind in Fig. 10 gezeigt. Aus dieser geht hervor, daß die Einfügungsverlustkurven des Kopplers gemäß diesem Beispiel relativ flach und im wesentlichen parallel verlaufen, wodurch sie eine Einfügungsverlustgleichförmigkeit von 0,24 dE aufweisen. Der Überschußverlust für diese Vorrichtung betrug 0,04 dB bzw. 0,37 dB bei 1310 nm bzw. 1550 nm. In Übereinstimmung mit dem Beispiel 1 hergestellte Koppler zeigten einen mittleren Vorrichtungsüberschußverlust von etwa 0,2 dB bei 1310 nm. Der niedrigste gemessene Überschußverlust betrug 0,04 dE bei 1310 nm.

Claims

1. Achromatischer-1xN-Koppler, wobei N 2 oder 3 beträgt, wobei der Koppler einen länglichen Körper (10) aus Matrixglas umfaßt, und

drei optische Wellenleiterpfade (20, 21, 22) sich durch den Körper erstrecken, wobei jeder der Pfade einen Kernbereich umfaßt, der durch einen Überzugsbereich mit einem Brechungsindex kleiner als derjenige des Kernbereichs umgeben ist, wobei der niedrigste Brechungsindex der Überzugsbereiche n&sub2; ist, wobei kein sich durch den Körper erstreckender optischer Wellenleiterpfad zusätzlich zu den drei optischen Wellenleiterpfaden (20, 21, 22) vorliegt,

die optischen Wellenleiterpfade sich in ausreichend kurzer Entfernung erstrecken, daß eine ausreichend lange Distanz einen Kopplungsbereich (61) bilden kann, wo ein Teil der optischen Energie, die sich in den Pfaden ausbreitet mit den anderen der Pfade koppelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbereiche in einer dreieckigen Gruppierung in dem Kopplungsbereich, in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Körpers gesehen, angeordnet sind, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die optische Energie in jedem Pfad direkt mit beiden der anderen Pfade koppelt und der Brechungsindex von zumindest diesem Bereich des Körpers benachbart zu den Pfaden n&sub3; beträgt, wobei n&sub3; um ein Ausmaß kleiner als n&sub2; ist, daß der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner als 0,125% ist, wobei Δ&sub2;&submin;&sub3;gleich (n&sub2;²-n&sub3;²)/2n&sub2;² ist.

2. Koppler nach Anspruch 1, wobei die Wellenleiterpfade (20, 21, 22) optische Fasern umfassen.

3. Koppler nach Anspruch 2, wobei das Matrixglas ein zylinderförmiger Körper (10) ist, durch welchen die Fasern sich in Längsrichtung erstrecken, wobei der Durchmesser eines Abschnitts des Körpers entfernt von seinen Enden kleiner als die Durchmesser der Enden des Körpers ist.

4. Koppler nach Anspruch 1, wobei der Körper (10) erste und zweite gegenüberliegende Enden (14, 15) und einen Mittenbereich (29) aufweist, wobei die drei optischen Wellenleiterpfade eine optische Eingangsfaser (20) und zwei optische Ausgangsfasern (21, 22) umfassen, von denen sich Abschnitte in Längsrichtung durch den Mittenbereich erstrecken, wobei jede der Fasern einen Kern umfaßt, der durch eine Beschichtung mit einem Brechungsindex n&sub2; umgeben ist, der kleiner ist als derjenige des Kerns, wobei die optischen Fasern in einer dreieckigen Gruppierung in dem Mittenbereich angeordnet sind, wobei der Durchmesser des zentralen Abschnitts des Mittenbereichs und die Durchmesser der optischen Fasern in dem zentralen Abschnitt des Mittenbereichs kleiner sind als dessen Durchmesser an den Enden des Körpers, wobei die optische Eingangsfaser sich ausgehend von dem ersten Ende (14) des Körpers erstreckt, und wobei die optischen Ausgangsfasern sich ausgehend vom zweiten Ende (15) des Körpers erstrecken.

5. Koppler nach Anspruch 4, wobei die Zusammensetzung des Matrixglaskörpers (10) über seinen gesamten Radius im wesentlichen gleichmäßig ist.

6. Koppler nach Anspruch 4, wobei der Matrixglaskörper (10) einen Innenbereich benachbart zu den optischen Fasern mit einem Brechungsindex n&sub3; und einen weiteren Bereich benachbart zu dem inneren Bereich umfaßt, wobei der Brechungsindex des weiteren Bereichs kleiner als n&sub3; ist.

7. Koppler nach Anspruch 4, wobei die optische Eingangsfaser (20) sich lediglich ausgehend vom ersten Ende des Körpers (10) erstreckt, während sich keine der Fasern (20, 21, 22) vollständig durch den Körper erstreckt.

8. Koppler nach Anspruch 4, wobei die optische Eingangsfaser (20) sich vollständig durch den Körper (10) und ausgehend von den ersten und zweiten Enden des Körpers erstreckt.

9. Verfahren zum Herstellen eines optischen 1 · N-Faserkopplers, wobei N gleich 2 oder 3 ist, wobei das Verfahren aufweist,

Bereitstellen eines Glasrohrs (10) mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Enden (14, 15) und einem Mittenbereich (29), wobei sich eine Längsbohrung (11) ausgehend von dem ersten Ende des Rohrs zu seinem zweiten Ende erstreckt, wobei zumindest der innere Abschnitt des Rohrs benachbart zu der Bohrung einen Brechungsindex n&sub3; aufweist,

Anordnen in der Bohrung einen Teil einer optischen Eingangsglasfaser (20) und die Endabschnitte von mehreren optischen Ausgangsglasfasern (21, 22), wobei jede der Fasern einen von einer Beschichtung mit einem Brechungsindex umgebenen Kern aufweist, der kleiner ist als derjenige des Kerns, wobei der kleinste Brechungsindex der Beschichtungen der optischen Fasern n&sub2; ist, wobei ein Teil der ersten Faser sich über das erste Ende des Rohrs hinaus erstreckt, wobei ein Teil von jeder der mehreren Fasern sich über das zweite Ende des Rohrs hinaus erstreckt, wobei keine optischen Fasern vorliegen, die sich durch die Bohrung (11) zusätzlich zu der optischen Faser (20) und den Endabschnitten der mehreren optischen Ausgangsfasern (21, 22) erstrecken, Schrumpfen des Rohrmittenbereichs auf die Fasern, und Ziehen des zentralen Abschnitts des Mittenbereichs, um seinen Durchmesser zu verringern und um einen Kopplungsbereich (61) zu bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Ausgangsfasern zwei Ausgangsfasern umfassen, wobei die Eingangsfaser und die zwei Ausgangsfasern in einer dreieckigen Gruppierung bei Betrachtung in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse des Rohrs angeordnet sind, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die optische Energie in jeder Faser direkt in die anderen Fasern koppelt, und wobei n&sub2; größer als n&sub3; um ein Ausmaß ist, daß der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; kleiner als 0,125% ist, wobei Δ&sub2;&submin;&sub3;gleich (n&sub2;²- n&sub3;²)/2n&sub2;² ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Brechungsindex des Rohrs (10) über seinen gesamten Radius im wesentlichen gleichmäßig ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Rohr (10) einen Innenbereich benachbart zu der Bohrung mit einem Brechungsindex n&sub3; und einen weiteren Bereich benachbart zum Innenbereich aufweist, wobei der Brechungsindex des weiteren Bereichs kleiner als n&sub3; ist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die optische Eingangsfaser (26) sich lediglich ausgehend vom ersten Ende des Rohrs (10) erstreckt und die zwei optischen Ausgangsfasern (21, 22) sich ausgehend vom zweiten Ende des Rohrs erstrecken oder wobei die optische Eingangsfaser (20) sich ausgehend von den ersten und zweiten Enden des Rohrs (10) erstreckt und die zwei optischen Ausgangsfasern (21, 22) sich ausgehend von dem zweiten Ende des Rohrs erstrecken.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Beschichtungsbrechungsindex der Eingangsfaser (20) größer als der Beschichtungsbrechungsindex der zwei Ausgangsfasern (21, 22) ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Beschichtungsbrechungsindex der Eingangsfaser (20) unterschiedlich von dem Beschichtungsbrechungsindex der zwei Ausgangsfasern (21, 22) ist.