DE69411222T2 - Schmalbundiges Mach-Zehnder Filter - Google Patents

Schmalbundiges Mach-Zehnder Filter

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DE69411222T2 DE69411222T DE69411222T DE69411222T2 DE 69411222 T2 DE69411222 T2 DE 69411222T2 DE 69411222 T DE69411222 T DE 69411222T DE 69411222 T DE69411222 T DE 69411222T DE 69411222 T2 DE69411222 T2 DE 69411222T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mach-Zehnder Filter mit schmalen Scheitelwerten und weitem Abstand zwischen den Scheitelwerten.
  • Es gibt einen vordringlichen Bedarf für schmalbandige Filter. Derartige Vorrichtungen werden beim 1550 nm Window zur Modifizierung der Spektrumsausbeute von Erbium-Faser-Verstärkern benötigt. Sie werden auch in weitem Bereich bei Hauptleitungen wie auch bei Faseranschlußleitungen bei Bauten verwendet.
  • Es gibt einen Bedarf sowohl für wellenlängeneinstellbare Bauteile als auch Bauteilen mit fester Wellenlänge. In einem vollständig optischen Netzwerk kann die Einrichtung beispielsweise auf der Empfängerseite eingestellt werden, um das gewünschte Eingangssignal zu erfassen. In zweiter Näherung werden einstellbare Laser verwendet, um eine Vielzahl von Signalen zu senden, und das gewünschte Signal wird durch Verwendung eines Empfängers mit festem Filter erfaßt. Das Übermittlungssystem könnte auch sowohl feste Laser als auch Filter anwenden. Die Fähigkeiten der Wellenlängentrennung derartiger Filter müssen im Bereich von zehn Nanometer bis hin zu einem Nanometer liegen. Überdies müssen diese Bauteile stabil gegenüber Umwelteinflüssen und sehr zuverlässig sein.
  • Das Mach-Zehnder Filter ist bekannt für seine Tauglichkeit bei schmalbandiger Wellenlänge. Es ist vorgeschlagen worden, daß Filter mit einem Durchlaßbereich so schmal wie 1 nm durch Verbinden zweier Koppler mit herabgesetzter kritischer Frequenz mit dazwischenliegenden ungleichen Faserlängen gebildet sind. Siehe OFC Konferenz über optische Faserkommunikation, Minitutorial Sessions, 22. - 26. Januar 1990, Seite 256 (Teil einer Darstellung in "Dense WDM Techniques" von C. A. Brackett), und P.E. Green, Fiber Optic Networks, Prentice Hall, 1993, S. 123 ff.
  • Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen Mach-Zehnder Filters. Zwei Koppler C&sub1; und C&sub2; sind durch optische Wellenleitergänge oder Fasern F&sub1; und F&sub2; miteinander verknüpft. Zur Vereinfachung werden gewöhnlich optische Fasern besprochen. Die Koppler für diese herkömmliche Mach-Zehnder Einrichtung, die typische Koppler mit herabgesetzter kritischer Frequenz sind, sind gewöhnlich 3 dB Koppler, wobei die am Eingang 2 angelegte optische Leistung beispielsweise gleichmäßig zwischen den zwei Ausgängen des Kopplers C&sub1; aufgeteilt ist. Nach-Zehnder Einrichtungen können auch flächige Koppler mit nicht herabgesetzter kritischer Frequenz verwenden; siehe S.I. Najafi, Introduction to Glass Integrated Optics, Artech Haus, 1992, Seiten 156 - 160. Für bestimmte Arten von Filtern können ein oder mehrere der Koppler die Eingangsleistung ungleich aufteilen. Eine der Fasern hat OPLD-Mittel, um ihr eine optische Weg-Längen-Differenz zu vermitteln, so daß es eine Phasenverschiebung zwischen den zwei Eingangssignalen gibt, die an den Koppler C&sub2; angelegt werden. Eine Phasenverschiebung kann durch Verwendung von Fasern induziert werden, die unterschiedliche Längen oder unterschiedliche Brechungsindexprofile aufweisen, oder durch Einsetzen von Mitteln zur Phasenverschiebung in einen der Wellenleiterwege.
  • Der Leistungsausgang am Ausgang 3 kann angegeben werden mit
  • P = cos² (π ΔLp/λ) (1)
  • wobei ΔLp die optische Weglängendifferenz (OPLD) zwischen den die beiden Koppler verbindenden Wegen ist. Deshalb ist der Gerätefrequenzbereich eine periodische Funktion der inversen Wellenlänge und das Ausgangsleistungsspektrum ist ähnlich mit dem in Fig. 2 gezeigten. Die Wellenlängentrennung zwischen den Scheitelwerten 12 in Fig. 2 wird halbiert, wenn ΔLp verdoppelt wird.
  • Zwei verbreitet verwendete Techniken zum Erhalt einer OPLD sind (1) das Vorsehen verbindender Fasern F&sub1; und F&sub2; mit unterschiedlichen Längen und/oder (2) das Vorsehen von Verbindungsfasern F&sub1; und F&sub2;, die das Licht mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten weiterleiten, gewöhnlich durch Einsatz von Fasern mit unterschiedlichen Kernen. Für den Fall (1), bei dem identische Fasern unterschiedliche Längen aufweisen, wird die Gleichung (1)
  • P = cos² (π nΔL/λ) (2),
  • wobei n der Brechungsindex der Faserkerne ist und ΔL der Längenunterschied der Fasern im Phasenverschiebungsbereich, der die Koppler C&sub1; und C&sub2; zusammenschaltet. Die optische Weglänge einer optischen Faser kann durch Erwärmen, Krümmen, Strecken oder ähnliches verändert werden. Die optische Weglänge eines flächigen optischen Wellenleiterwegs, der aus elektrooptischem Material gebildet ist, kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes verändert werden.
  • Für den Fall (2), bei dem die Verbindungsfasern F&sub1; und F&sub2; unterschiedliche Kernbrechungsindizes aufweisen, wird die Gleichung (1)
  • P = cos² (π L Δn/λ) (3),
  • in der L die Länge der Fasern F&sub2; und F&sub2; im Phasenverschiebungsbereich ist, der die Koppier C&sub1; und C&sub2; zusammenschaltet, und Δn proportional dem Brechungsindexunterschied zwischen den zwei Faserkernen und annähernd gleich f n&sub1; (Δ&sub2; - Δ&sub1;) ist, wobei Δ&sub1; und Δ&sub2; die Δ&sub1;&submin;&sub2; Werte der Fasern F&sub1; bzw. F&sub2; sind. Der Ausdruck Δ&sub1;&submin;&sub2; ist die relative Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem Umhüllungsmaterial einer gegebenen Faser und ist gleich (n&sub1;² - n&sub2;²)/(2n&sub1;²), wobei n&sub1; und n&sub2; die Brechungsindizes des Faserkerns bzw. der Umhüllung sind. Der Faktor f berücksichtigt die Tatsache, daß die Phasenverschiebung proportional zum sog. "effektiven" Brechungsindex ist, der sowohl vom Faser Δ&sub1;&submin;&sub2; Wert als auch vom Kerndurchmesser abhängt. Die Gleichung (3) wird dann
  • P = cos² (π L f n&sub1;(Δ&sub2; - A&sub1;)/λ) (4)
  • bei der n&sub1; der Kernbrechungsindex ist und der Wert von f n&sub1; mit ungefähr 1 angenommen werden kann, wenn die Kerndurchmesser im wesentlichen gleich sind. Die Gleichung (4) ist in Fig. 2 für ein einstufiges Mach-Zehnder Filter aufgezeichnet, bei dem die Faser F&sub1; einen &sub1;&submin;&sub2; Wert von 0,3 % und die Faser F&sub2; einen Δ&sub1;&submin;&sub2; Wert von 1,0 % hat, und die optische Weglänge L (die Länge jeder der Fasern F&sub1; und F&sub2; zwischen den Kopplern C&sub1; und C&sub2;) 2 cm beträgt.
  • Mach-Zehnder Vorrichtungen, bei denen eine optische Weglängendifferenz durch Einsatz zweier verknüpfter Fasern F&sub1; und F&sub2; identischer Länge, jedoch unterschiedlicher Kernbrechungsindizes erhalten werden, werden in EP-A-0618478 gelehrt, die Stand der Technik im Sinne von Artikel 54(3) EPÜ ist, sowie in der Veröffentlichung B. Malo u.a. "Unausgeglichenes ungleichfasriges Mach-Zehnder Interferometer: Anwendung als Filter", Electronics Letters, 12. Oktober 1989, Band 25, Nr. 21, Seiten 1416 - 1417. Wenn mehrere Einrichtungen in Serie miteinander verknüpft werden, wie in Fig. 3 gezeigt, ist der gesamte Frequenzverlauf einfach ein Produkt der Ausdrücke wie jener in den Gleichungen (1), (3) oder (4). Wenn der optische Weglängenunterschied einer der Einrichtungen so gewählt wird, daß er ein Mehrfaches des anderen ist, z.B. wenn OPLD-2 ein Mehrfaches von OPLD-1 ist, ergibt sich ein Frequenzverlauf eines schmalbandigen Filters. Jeder andere Scheitelwert verbleibt, die zwischen den Scheitelwerten liegenden Wellenlängen sind im wesentlichen eliminiert, wie in Fig. 4 gezeigt, die ein Diagramm der berechneten Ausgangsleistung für ein zweifasriges, zweistufiges Mach-Zehnder Gerät zeigt, wobei Δ&sub1; 0,003 beträgt, Δ&sub2; ist 0,01, L&sub1; ist 1 cm und L&sub2; ist 2 cm. Das kaskadenartige Verknüpfen zusätzlicher Mach-Zehnder Einrichtungen vergrößert die Wellenlängentrennung zwischen den Scheitelwerten. Die Schärfe der Scheitelwerte wird durch den Mach- Zehnder mit dem größten optischen Weglängenunterschied gesteuert. Deshalb schafft ein größeres OPLD einen schärferen Scheitelwert. Der Abstand zwischen den Scheitelwerten ist eine Funktion der Zahl der kaskadenartig verknüpften Einrichtungen und der relativen optischen Weglängenunterschiede in jeder Stufe. Die Verbesserung der Filtereigenschaften, die durch die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung erreicht wird, verglichen mit der in Fig. 1 gezeigten, d.h. die Verbesserung in den Filtereigenschaften gemäß Fig. 4 verglichen mit den in Fig. 2 gezeigten Eigenschaften, ist als "Finesse" bekannt, die als Verhältnis der Wellenlängentrennung zwischen benachbarten Scheitelwerten zu den Scheitelwertbreiten definiert ist. Eine größere Finesse wird erreicht, wenn die Zahl der kaskadenartig verbundenen Mach-Zehnder Vorrichtungen vergrößert wird.
  • Mach-Zehnder Filter der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Art sind einstellbar. Die Scheitelwerte werden durch Veränderung der OPLD's verschoben. Deshalb könnte eine solche Einrichtung dafür benutzt werden, verschiedene optische Wellenlängen einzustellen, wie ein Radioempfänger auf die Radiowellenlängen eingestellt wird.
  • Ein mehrfach verzweigtes Mach-Zehnder Filter ist in der Veröffentlichung, Japanese Journal of Applied Physics, Teil 1, Band 31, Nr. 5b (1992), Seiten 1628 - 1635, Tokio, JP; H. Okayama et al: "Einstellbare Filter mit erweiterter Einstellbarkeit" bekanntgegeben. Das mehrzweigige Mach-Zehnder Filter umfaßt Eingangskopplermittel (siehe das in Fig. 10 dieser Veröffentlichung gezeigte Filter), in die ein Signal mit einem Wellenlängenspektrum, das um eine vorbestimmte Wellenlänge zentriert ist, eingegeben wird. Das Filter umfaßt Eingangskopplermittel (der gegabelte Eingangsbereich des Filters) zum Aufteilen eines Eingangssignals in sechzehn optische Signale, Vereinigungsmittel zum Vereinigen sechzehn optischer Signale zu einem Ausgangssignal und sechzehn optische Wellenleiterwege zum Verbinden der Ausgänge mit den Vereinigungsmitteln. Jeder der Wellenleiter zwingt das Licht, sich durch die Wellenleiter mit einer Verzögerung auszubreiten, die verschieden von der Verzögerung ist, die das sich durch jeden der anderen Wellenleiter ausbreitende Licht erfährt. Die Fig. 2(b) und 4(a) dieser Veröffentlichung zeigen ähnliche Filter mit vier Wellenleiterwegen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mach- Zehnder Vorrichtung zu schaffen, die größere Finesse pro Stufe als vorhergehende Einrichtungen aufweist.
  • Kurz gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, auf ein Mach-Zehnder Filter mit einem Eingangskoppler zum Aufteilen eines Eingangssignals in N gleiche Ausgangssignale, wobei N > 2. Weitere Mittel sind zum Vereinigen von N optischen Signalen zu einem einzigen Ausgangssignal vorgesehen. Ein optischer Wellenleiterweg verbindet jeden der N Kopplermittelausgänge mit den Vereinigungsmitteln. Jeder der N Wellenleiterwege unterwirft das hindurchtretende Licht einer Verzögerung, die gegenüber der Verzögerung unterschiedlich ist, die durch das durch jeden der anderen Wellenleiterwege sich fortpflanzende Licht hervorgerufen wird.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der genannte Eingangskoppler ein verschmolzener Faserkoppler, der eine Eingangskopplerfaser umfaßt, die von N gleichweit voneinander beabstandete Ausgangskopplerfasern umgeben ist, wobei diese Eingangskopplerfaser und die Ausgangskopplerfasern miteinander verschmolzen und in einem Kopplungsbereich eingezogen sind, die N optischen Wellenleiter N optische Wellenleiterfasern sind und daß der genannte Koppler Mittel zum Verhindern einer Kopplung zwischen einer der benachbarten Ausgangsfasern umfaßt.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer Mach-Zehnder Vorrichtung.
  • Fig. 2 ist eine Skizze der berechneten Ausgangsleistung über der Wellenlänge für ein einstufiges zweifasriges Mach- Zehnder Filter.
  • Fig. 3 ist eine schematische Darstellung zweier verknüpfter zweifasriger Mach-Zehnder Vorrichtungen.
  • Fig. 4 ist eine Skizze der berechneten Ausgangsleistung über der Wellenlänge für das Mach-Zehnder Filter der Fig.3.
  • Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm einer Mach-Zehnder Vorrichtung, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
  • Fig. 6 ist eine Ansicht einer monolithischen umhüllten Mach- Zehnder Vorrichtung im Querschnitt (Anm. d. Übers.: Längsschnitt) mit drei miteinander verketteten Fasern.
  • Fig. 7 ist ein Teilquerschnitt einer Kopplervorform.
  • Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Zusammendrücken eines kapillaren Rohrs auf Fasern und Strecken des Rohrs, um einen Koppelbereich zu bilden.
  • Fig. 9 und 10 sind Teilquerschnitte von Kopplervorformlingen.
  • Fig. 11 - 14 sind Skizzen der berechneten Ausgangsleistung über der Wellenlänge für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die Zeichnungen sind nicht dazu bestimmt, den Maßstab oder die relativen Proportionen der darin gezeigten Elemente anzugeben.
  • Eine Mach-Zehnder Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Der Koppler 20 hat wenigstens einen Eingang 21 und wenigstens drei Ausgänge 22, 23 und 24. Die Wirkungsweise des Kopplers 20 besteht darin, das Eingangssignal in N Ausgangssignale (N > 2) gleicher Leistung aufzuteilen. Der Koppler 28 hat wenigstens drei Eingänge 29, 30 und 31 und wenigstens einen Ausgang 32. Die Ausgänge 22, 23 und 24 sind mit den Eingängen 29 bzw. 30 bzw. 31 durch optische Wellenleiterwege 25 bzw. 26 bzw. 27 verbunden, die durch Fasern gebildet sind. Der Koppler 28 wirkt als Mittel zum Zusammenfassen der N Ausgangssignale vom Koppler 20. Die Charakteristika der verbindenden Wellenleiter sind derart, daß diese N Ausgangssignale vom Koppler 20 unterschiedlich verzögert werden, d.h. jede der Wellenleiterwege 25, 26 und 27 hat eine unterschiedliche optische Weglänge. Wie oben ausgeführt, kann dies durch Verwenden optischer Fasern unterschiedlicher Länge, durch Verwenden optischer Fasern identischer Länge, jedoch unterschiedlichen Brechungsindexprofilen, oder durch Einsatz optischer Verzögerungseinrichtungen in wenigstens zwei der Fasern erreicht werden. Methoden zum Bestimmen der Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Verzögerungen werden unten beschrieben. Während die verbindenden Wellenleiter beispielsweise als drei Verbindungsfasern gezeigt sind, können vier oder mehr solcher Fasern mit vergrößertem Nutzen eingesetzt werden. Die Koppler 20 und 28 müssen der Zahl der Verbindungsfasern angepaßt sein.
  • Die Koppler 26 und 28 können Koppler mit herabgesetzter kritischer Frequenz des verschmolzenen doppelkonisch eingezogenen, des umhüllten oder des flächigen Typs sein, oder sie können Koppler mit nicht herabgesetzter kritischer Frequenz des Typs sein, wie in der obengenannten Najafi-Veröffentlichung beschrieben. Geeignete umhüllte Koppler werden in den US-Patenten 4 902 324, 4 983 195 und 5 017 206 offenbart.
  • Die Mach-Zehnder Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird vorteilhaft als monolithischer Aufbau (Fig. 6) gebildet, der miteinander verkettete umhüllte Koppler 41 und 42 aufweist, die durch einen Phasenverschiebungsbereich 44 verbunden sind. Die Vorrichtung ist durch Einsetzen optischer Fasern F&sub1;, F&sub2;, F&sub3; und F&sub4; in die Bohrung 48 eines Rohrs aus Matrixglas 49 geformt, um einen Kopplervorformling zu bilden. Die Fasern F&sub1;, F&sub2; und F&sub3; sind gleichmäl3ig um die Faser F&sub4; herum angeordnet, wie in Fig. 7 gezeigt. Jede der optischen Fasern besitzt einen Kern, der von einer Umhüllung mit einem niedrigeren Brechungsindex als der des Kerns umgeben ist. Die Kerne der Fasern F&sub1;, F&sub2; und F&sub3; können unterschiedliche Brechungsindizes n&sub1;&submin;&sub1;, bzw. n&sub1;&submin;&sub2; bzw. n&sub1;&submin;&sub3; haben, oder die Umhüllungen dieser Fasern können unterschiedliche Brechungsindizes n&sub2;&submin;&sub1; bzw. n&sub2;&submin;&sub2; bzw. n&sub2;&submin;&sub3; aufweisen.Es wird vorgezogen, daß die Faserkerne unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, da der Kernbrechungsindex einen größeren Effekt auf die Ausbreitungskonstante (und deshalb die Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die Faser) im Phasenverschiebungsbereich 44, jedoch nur einen geringen Effekt auf die Konstante der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Faser im Koppelbereich hat. Der gleiche Effekt kann durch Einsatz von Fasern F&sub1;, F&sub2; und F&sub3; mit unterschiedlichen Kerndurchmessern erreicht werden. Der Brechungsindex n&sub3; dieses Abschnitts des Matrixglasrohres in der Nähe der Fasern ist geringer als der niedrigste Brechungsindex jeder der Faserumhüllungen. Die Bohrung kann an jedem Ende Trichterform (nicht gezeigt) aufweisen, um das Einsetzen der Fasern zu erleichtern.
  • Die Kopplervorform kann weiterhin in der Ziehvorrichtung der Fig. 8 hergestellt werden. Der Vorformling 61 wird durch den Ringbrenner 64 eingesetzt und an den Spannelementen 62 und 63 angeklemmt, die an motorgesteuerten Trägern 75 und 76 angebracht sind. Die Fasern F werden durch die Vakuumeinrichtungen 71 und 71' gezogen und dann mit den Enden des Vorformlings 61 versiegelt. Typische Vakuumeinrichtungen werden im US-Patent 5 011 251 gezeigt. Das Vakuum wird über die Leitung 72 an die Vakuumeinrichtung angelegt. Ein Ende eines Stücks einer dünnen Gummihülse 73 wird an das Ende der Vakuumeinrichtung 71 gegenüber dem Vorformling 61 angebracht; das verbleibende Ende der Hülse erstreckt sich innerhalb der Hülsenklemmmittel (nicht gezeigt). Die obere Vakuumeinrichtung 71' ist gleichermaßen mit der Leitung 72', der Hülse 73' und den Hülsenklemm-Mitteln verbunden. Die umhüllten Abschnitte der Fasern F erstrecken sich von der Hülse 73 und 73', während die Faserabschnitte innerhalb des Tubus zwischen den Punkten a und b nicht umhüllt sind. Wenn Druckluft gegen die Hülsen 73 und 73' gerichtet wird, wie durch die Pfeile 74, 74' angegeben, um die Hülse mit den sich hindurcherstreckenden Fasern zu verklemmen, wird die Bohrung 48 über die Leitungen 72 und 72' evakuiert.
  • Bei einer Ausführungsform ist dieser Abschnitt des Tubus zwischen den Punkten a und b anfangs auf die Fasern aufgedrückt. Nachdem der Vorformling an den Spannelementen 62 und 63 befestigt und die Tubusbohrung evakuiert ist, wird der Tubus in der Nähe eines Endes 53 erhitzt, um ihn im Bereich der aufgebrachten Wärme zum Zusammenziehen zu bringen. Die Spannelemente 62 und 63 bewegen den Vorformling relativ zum Brenner, um den zusammengedrückten Bereich allmählich zum Ende 54 hin auszudehnen, bis die gewünschte Länge des zusammengedrückten Tubus erhalten wird.
  • Bei einem alternativen Verfahren können die Spannelemente 62 und 63 feststehen und der Brenner 64 an einem motorgesteuerten Träger 65 befestigt sein. Der Brenner 64 ist anfänglich in der Nähe des Endes 53 positioniert, um es zusammenzudrücken; der Träger 65 bewegt den Brenner relativ zur Vorform, um den zusammengedrückten Bereich zum Ende 54 hin auszudehnen.
  • Danach wird der Koppler 41 in der Nähe des Endes 53 des Tubus durch Erhitzen eines Bereichs des Tubus und Bewegen der computergesteuerten Träger 75 und 76 nach entgegengesetzten Richtungen unter Streckung des erwärmten Bereichs gebildet. Das Strecken des Tubus kann in Übereinstimmung mit dem US-Patent 5 011 251 durchgeführt werden. Der Bereich 51 ist dargestellt, als habe er einen konstanten Durchmesser, obwohl eine leichte Verjüngung besteht, wobei die Mitte des Bereichs 51 in Längsrichtung den geringsten Durchmesser aufweist. Es ist wohlbekannt, daß die Koppelcharakteristika des sich ergebenden Kopplers durch solche Parameter, wie optische und mechanische Eigenschaften des Matrixglases 49 und der Fasern F&sub1;, F&sub2;, F&sub3; und F&sub4; und durch die Kopplerparameter, wie die Länge und Form der querschnittsverminderten und verjüngten Bereiche, bestimmt werden.
  • Während des Dehnens des Rohrs beim Formen des Kopplerprototypen kann die optische Leistung an eine optische Eingangsfaser gekoppelt werden und die Ausgangssignale vom Koppler können zur Steuerung der Verfahrensschritte bei dem Herstellungsverfahrens des Kopplers eingeschaltet werden. Kopplerprototypen werden anfangs um ein durch vorhergehenden Versuch ermitteltes Maß verlängert. Die optischen Eigenschaften der sich ergebenden Einrichtung werden gemessen und die Streckungs- oder Verlängerungsdistanz der anschließend hergestellten Koppler wird in einer solchen Weise justiert, daß sie näher an die gewünschten Eigenschaften heranreicht. Durch dieses Verfahren wird eine optimale Streckdistanz erreicht.
  • Für bestes Betriebsverhalten als Filter besitzen die Koppler 41 und 42 im wesentlichen identische Kopplercharakteristika. Der zweite Koppler 42 ist deshalb vorzugsweise nahe dem Rohrende 54 dadurch gebildet, daß der geeignete Bereich des Rohres den Streckbedingungen unterworfen wird, die identisch sind zu jenen, die bei der Bildung des ersten Kopplers verwendet wurden.
  • Bei umhüllten und verschmolzenen zweifach verjüngten Kopplern, die in dem erfindungsgemäßen Filter verwendet werden, sollte die Leistung gut von der Eingangsfaser zu den Ausgangsfasern gekoppelt sein, jedoch sollten die Ausgangsfasern im wesentlichen voneinander isoliert sein. Unter Bezugnahme auf Fig. 7 sind die Randfasern F&sub1;, F&sub2; und F&sub3; gleichmäßig beabstandet um die zentrale Faser F&sub4; angeordnet und in Kontakt mit der Faser F&sub4;. Deshalb ist jede Randfaser gut an die Faser F&sub4; gekoppelt, jedoch nicht mit den benachbarten Randfasern.
  • Eine Methode zur Vergrößerung der Isolation zwischen benachbarten Randfasern ist in Fig. 9 dargestellt. Die Randfasern 80 und die Mittelfaser 81 werden in die Bohrung 84 des Rohrs 83 eingesetzt, um eine Vorform zu bilden. Jede der optischen Fasern 80 und 81 umfaßt einen Kern und eine Umhüllung. Eine Blindfaser 82 wird zwischen benachbarten Randfasern angeordnet. Die Blindfasern können gänzlich aus Glas, wie SiO&sub2;, bestehen, das einen Wirkstoff, wie Fluor, enthält, der seinen Brechungsindex in bezug auf die Umhüllungen der optischen Randfasern 80 verringert. Beim sich ergebenden Koppler bildet jede Blindfaser mit niedrigem Index einen Glasbereich, der als Sperre funktioniert, die ein Koppeln zwischen benachbarten Randfasern verhindert. Dieser Glasbereich kann denselben Brechungsindex wie das Rohr 83 aufweisen.
  • Vier oder mehr optische Randfasern 87 können gleichmäßig um eine zentrale optische Faser 88 angeordnet sein, wie in Fig. 10 gezeigt. Das kreisförmige zylindrische Innenrohr 89 ist mit einer Öffnung 90 versehen, die die Faser 88 aufnimmt. Das Außenrohr 91 besitzt eine Öffnung 92, die nach innen vorspringende, gleichweit voneinander entfernte, sich länglich erstreckende Vorsprünge 93 aufweist. Die optischen Fasern 87 und die Blindfasern 94 sind abwechselnd zwischen den Vorsprüngen 93 angeordnet.
  • Eine niedrige Indexschranke könnte auch durch Ziehen des Kopplers unter solchen Bedingungen gebildet werden, daß Luftkanäle zwischen benachbarten Randfasern verbleiben. Wenn z.B. ein Teil des Bereichs zwischen den Rohren 89 und 91 beim Ziehen des Kopplers nicht zusammengedrückt wird, würde der sich ergebende Luftraum als ein zusätzlicher Niedrigindexbereich zwischen benachbarten Randfasern 87 wirken.
  • Obwohl die Koppler 41 und 42 vom achromatischen oder WDM Typ sein können, ist die Mach-Zehnder Vorrichtung über einen größeren Wellenlängenbereich tauglich, wenn achromatische Koppler verwendet werden. Verschiedene Techniken können angewandt werden, um Achromatismus zu erreichen.
  • In Übereinstimmung mit EP-A-0578982, die Stand der Technik im Sinne von Artikel 54(3) EPÜ ist, kann ein Koppler achromatisch gemacht werden, wenn der Brechungsindex n&sub3; des den Koppelbereich umgebenden Matrixglaskörpers um einen solchen Betrag niedriger ist als n&sub2;, daß der Wert von Δ&sub2;&submin;&sub3; geringer ist als 0,125 %, wobei Δ&sub2;&submin;&sub3; gleich (n&sub2;² - n&sub3;² )/2n&sub2;² ist. Wenn die Faserumhüllungen unterschiedliche Brechungsindizes haben, wird der niedrigste Umhüllungsbrechungsindex benutzt, um den Wert vön Δ&sub2;&submin;&sub3; zu bestimmen.
  • Nur eine der Fasern des Mach-Zehnder Filters braucht sich von jedem Ende der Vorrichtung aus zu erstrecken. Nachdem die Vorrichtung geformt ist, können die nicht benötigten Abschnitte der Fasern, die sich von der Vorrichtung erstrecken, abgetrennt werden. Die abgetrennten Enden werden dann vorzugsweise mit Antireflexionsabschlüssen versehen.
  • Antireflexionsabschlüsse können an jedem Ende der Fasern F&sub1;, F&sub2; und F&sub3; vor dem Bilden der Kopplervorform in Übereinstimmung mit den Lehren des US-Patents 4 979 972 geformt werden. Jede dieser Fasern kann auf eine Länge geschnitten werden, die geringfügig größer ist als die Länge des Kapillarrohres, und sie kann vollständig vom Beschichtungsmaterial befreit werden. Ein Antireflexionsabschluß wird durch das Richten einer Flamme nahe des Endes der Faser und durch Abziehen und Trennen der Faser im erwärmten Bereich gebildet. Das Ende des erwärmten Bereichs wird durch eine Brennerflamme erhitzt, um das Glas zurückfließen zu lassen und eine abgerundete Endfläche zu bilden, deren Durchmesser gleich oder geringfügig kleiner ist als der ursprünglich unbeschichtete Durchmesser der Faser. Nachdem die Antireflexionsabschlüsse an beiden Enden der Faser gebildet sind, ist deren Länge geringfügig kleiner als das Kapillarrohr. Die Faser F&sub4;, die in ihrem mittleren Bereich von dem Überzug befreit worden ist, wird durch die Bohrung des Kapillarrohrs aus Matrixglas längs den kurzen Abschnitten der Fasern F&sub1;, F&sub2; und F eingesetzt. Danach wird die Vorrichtung, wie oben beschrieben, gebildet. Ein Ende der Faser F&sub4; funktioniert als Eingang und ihr anderes Ende funktioniert als Ausgang der sich ergebenden Vorrichtung.
  • Bei einer Mach-Zehnder Vorrichtung des in Fig. 5 gezeigten Typs wird die Wellenlängentrennung zwischen benachbarten Scheitelwerten durch die dichtesten Kerndeltas bestimmt, wenn die Vorrichtung gleichlange Verbindungsfasern mit unterschiedlichen Δ&sub1;&submin;&sub2; Werten verwendet, oder durch die kürzeste Längendifferenz unter den Fasern, wenn die Vorrichtung Verbindungsfasern mit unterschiedlichen Längen verwendet. Größere Längenunterschiede und weiter beabstandete Deltas ergeben die höheren Frequenzkomponenten der Spektren und bestimmen die Weiten der Scheitelwerte. Inbesondere werden die halben Scheitelwertweiten durch die größten Kerndeltatrennungen und die längste Längenstufe bestimmt.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 5 wird die beste Filterung erreicht, wenn die gesamte Leistung gleichmäßig vom Eingangswellenleiter zu den Ausgangswellenleitern des Kopplers 20 gekoppelt wird. Der Koppler 28 ist dem Koppler 20 ähnlich, jedoch wird das einzige Ende als Ausgang verwendet. Die am Ausgang 32 einer solchen Vorrichtung erscheinenden Ausgangsspektren können von den Feldamplituden der überlagerten Wellen erhalten werden. Wenn die Vorrichtung dem Typ angehört, bei dem der Phasenverschiebungsbereich Fasern gleicher Länge, jedoch unterschiedlicher Brechungsindexprofile enthält, wird die Feldamplitude von N solcher Wellen in der Ausgangsfaser:
  • ε= (1 +Σ&sub2;{cos [2π(ΔN-Δ&sub1;)L/λ] + sin [2π(ΔN-Δ&sub1;)L/λ]})/N (5), wobei die Δ-Werte, L und λ wie folgt bestimmt sind. Die Länge des Phasenverschiebungsbereich wird gewählt. Sie ist vorzugsweise nicht größer als ungefähr 2 cm, um die Kompaktheit der gesamten Vorrichtung aufrechtzuerhalten und thermische Wirkungen zu minimieren. Sie sollte zur leichteren Herstellung wenigstens 0,5 cm betragen. Die Vorrichtung ist offensichtlich wirksam, wenn die Länge des Phasenverschiebungsbereichs außerhalb des bevorzugten Bereichs von 0,5 - 2,0 cm ist. Die Anwendung bestimmt die Wellenlängentrennung der Scheitelwerte. Für die Faser F kann eine Standard-Telekommunikationsfaser verwendet werden, wobei der Wert von Δ&sub1; bekannt ist. Wenn die Länge L, die Wellenlängentrennung und Δ&sub1; bekannt sind, wird die Gleichung (4) für Δ&sub2; gelöst. Der Wert von Δ&sub1; ist dann durch
  • Δ&sub1; = Δ&sub1; + (i - 1)(Δ&sub2; - Δ&sub1;) (6) gegeben. Wenn Δ&sub1; und Δ&sub2; beispielsweise 0,3% bzw. 1,0% sind, dann wird Δ&sub3; zu 1,7% berechnet. Für diese spezifische Vorrichtung, in der es drei Verbindungsfasern gibt, ist N gleich 3 und ΔN gleich 1,7%.
  • Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7, sind die Δ-Werte in der Gleichung (5) die Kern/Umhüllungs Deltas Δ&sub1;, Δ&sub2; und Δ&sub3; der Fasern F&sub1; bzw. F&sub2; bzw. F&sub3;. Da sich in der Faser F&sub4; im Phasenverschiebungsbereich keine Leistung ausbreitet, ist deren Δ-Wert kein Faktor in den Gleichungen (5) und (6) und kann zweckmäßig derselbe sein wie einer der anderen Fasern, z.B. könnte er Δ&sub1; sein. Der normale Ausgang ist angegeben als
  • PF= ε ε* (7),
  • worin ε und ε* das elektrische Feld bzw. das komplex konjugierte elektrische Feld sind. Zur weiteren Diskussion des normalisierten Ausgangs von Mach-Zehnder siehe S. 124 der oben angegebenen Fiber Optic Networks. Unter Benutzung der Gleichung (5) für den Einsatz zweier Fasern erhält man dieselben Spektren wie durch den einfachen Cosinusausdruck der Gleichung (4) ausgesagt.
  • Die Gleichung (5) basiert auf der Annahme, daß im wesentlichen das gesamte Licht von der Eingangsfaser F&sub4; auf die Ausgangsfasern F&sub1;, F&sub2; und F&sub3; (Fig. 6 und 7) übertragen wird. Die Beziehung zwischender gekoppelten Leistung und Wellenlänge für den Koppler 41 ist in Fig. 11 dargestellt. Die Kurve 96 verkörpert die von der Eingangsfaser F&sub4; abgekoppelte Leistung. Wenn der zentrale Scheitelwert der Filterfrequenzkurve (siehe beispielsweise Scheitelwert 98 in Fig. 12) um die Wellenlänge λ zentriert ist, dann sollte λMAX , das Maximum auf der Kurve 96, bei der Wellenlänge λ liegen. Die Neigung der Kurve 96 sollte so sein, daß die gekoppelte Leistung nicht weniger als ungefähr 90 % über den gesamten interessierenden Wellenlängenbereich fällt. In diesem Fall ist der interessierende Bereich ein Band B von ungefähr 70 nm. Solche Neigungen werden leicht mit herkömmlichen Kopplern erreicht.
  • Die Gleichung (5) ist in Fig. 12 dargestellt, die das Diagramm der berechneten Ausgangsleistung über der Wellenlänge für ein drei Verbindungsfasern aufweisendes, einstufiges Mach-Zehnder Filter zeigt, das einen 1,0 cm langen Phasenverschiebungsbereich hat. Die Werte von Δ&sub1;, Δ&sub2; und Δ&sub3; sind 0,3% bzw. 1,0% bzw. 1,7%. Die Wellenlängentrennung wurde mit 35 nm ausgewählt. Das Diagramm der Fig. 12 veranschaulicht im Vergleich zum Ausgang der einstufigen, zwei Verbindungsfasern aufweisenden Vorrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, eine bedeutsame Verbesserung in der Finesse. Die Weiten der Scheitelwerte werden durch die Verbindungsfaser mit der größten Verzögerung bestimmt, d.h, durch die Faser mit dem größten Δ-Wert.
  • Fig. 13 zeigt das Diagramm der rechnerischen Ausgangsleistung über der Wellenlänge für ein doppelstufiges, drei Verbindungsfasern aufweisendes Mach-Zehnder Filter, das die vorher erwähnten Δ-Werte aufweist sowie 1,0 cm und 2 cm lange Phasenverschiebungsbereiche hat.
  • Fig. 14 zeigt die berechnete Ausgangsleistung über der Wellenlänge für ein einstufiges, vier Verbindungsfasern enthaltendes Mach-Zehnder Filter. Drei der Verbindungsfasern besitzen die oben angegebenen Deltawerte und Δ&sub4; der vierten Verbindungsfaser beträgt 0,024%. Die Länge des Phasenverschiebungsbereichs beträgt 1 cm.
  • Fig. 15 zeigt die berechnete Ausgangsleistung über der Wellenlänge für ein doppelstufiges Mach-Zehnder Filter mit vier Verbindungsfasern. Die Deltawerte sind dieselben wie im vorhergehenden Beispiel. Die Längen der Phasenverschiebungsbereiche sind 1 cm und 2 cm.
  • Das Verhältnis der Ausgangsleistung des Filters beim Scheitelwert 98 (siehe Fig. 12) zur Ausgangsleistung 99 im Spektralbereich zwischen den Scheitelwerten wird als "Kontrastverhältnis" angegeben. Manche Anwendungen erfordern kleinere Kontrastverhältnisse als die der Filterverlaufskurve von Fig. 12. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, die zwischen den Scheitelwerten sich ergebende Leistung im Bereich 99 der Fig. 12 in bestimmten spezifischen Prozentzahlen, wie 33% oder 50% der Spitzenleistung, aufrechtzuerhalten. Für solch eine Anwendung muß ein Teil der Eingangsleistung in der Eingangsfaser F&sub4; des Kopplers 41 der Fig. 6 verbleiben. Ganz allgemein gesagt wird nicht die gesamte am Eingang 21 der Fig. 5 angelegte Leistung auf die Ausgänge 23, 24 und 25 übertragen. Die Gleichung (5) ist auf ein solches Mach-Zehnder Filter nicht anzuwenden; zusätzliche Glieder müssen der Gleichung (5) hinzugefügt werden, um diese Art des Betriebs abzudecken. Die Funktion würde ähnlich sein, jedoch würde sich das Kontrastverhältnis ändern.
  • Die Verminderung in der gekoppelten Leistung sollte nicht durch Betreiben an einem Punkt der Kurve 96 (Fig. 11) erzielt werden, der vom Punkt der maximalen gekoppelten Leistung bei λMAX entfernt liegt, wo die gekoppelte Leistung ausreichend niedrig ist. Vielmehr sollte der Koppler, wenn es erwünscht ist, das x % (z.B. 80 %) der Eingangsleistung von der Kopplereingangsfaser abgekoppelt werden soll, so ausgelegt sein, daß er eine spektrale gekoppelte Leistungskurve 97 aufweist mit x % der gekoppelten Leistung bei der Wellenlänge λMAX, wie durch die Kurve 97 in Fig. 11 dargestellt ist. Wie vorher im Zusammenhang mit der Kurve 96 diskutiert, sollte die Kurve 97 nur einen verhältnismäßig geringen Abfall in der gekoppelten Leistung über einem Wellenlängenband B durchmachen.
  • Um weniger als 100 % Leistungsübertragung vom Eingangswellenleiter zu den Ausgangswellenleitern des Kopplers zu erhalten, wie durch Kurve 97 dargestellt, kann entweder der Überzug der zentralen Eingangsfaser oder der Überzug der Ausgangsrandfasern (Fig. 7) einen Wirkstoff, wie Chlor, enthalten, um seinen Brechungsindex zu ändern. Weniger als 100 % Leistungsübertragung kann auch durch Einsatz von Randfasern erreicht werden, die einen unterschiedlichen Durchmesser des Überzugs aufweisen als derjenige der zentralen Faser. In jedem Fall ist die Fortpflanzungskonstante der mittleren Faser unterschiedlich von den Fortpflanzungskonstanten der Randfasern im Koppelbereich.
  • Wenn die optischen Fasern identische Brechungsindexprofile besitzen (identische Lichtausbreitungsgeschwindigkeiten), muß eine gewisse Technik eingesetzt werden, um die Phase der sich im Verbindungsbereich fortpflanzenden Signale zwischen den zwei Kopplern zu verschieben; d.h. die Fasern können unterschiedliche Längen in diesem Bereich besitzen. Für diese Ausführungsform wird die Feldamplitude der N überlagerten Wellen in der Ausgangsfaser:
  • ε= (1 +Σ&sub2; {cos[2πn(Li - L&sub1;)/λ] + sin[2πn(LiL&sub1;)/λ]})/N (8),
  • wobei n der Brechungsindex der Faserkerne ist. Die Längen der Fasern im Phasenverschiebungsbereich sind wie folgt bestimmt, wobei Bezug genommen wird auf Fig. 5. Die Länge L der kürzesten Faser 25 und die Länge L&sub2; der nächst kürzesten Faser 26 werden anfangs durch Lösen der Gleichung (2) für ΔL an zwei benachbarten Wellenlängen, bei denen ein Spitzenwert gewünscht wird, ermittelt, wobei eine Vielzahl von Lösungen bei jeder Wellenlänge erhalten wird. Die kleinsten Werte von ΔL, die jeder Wellenlänge gemeinsam sind, werden ausgewählt. Dies ist auf dem Gebiet der Mach-Zehnder Filter allgemein bekannt. Der Wert von Li irgendeiner anderen Faser ist dann gegeben durch
  • Li = L&sub1; + (i-1)(L&sub2; - L&sub1;) (9)
  • Die Länge LN der längsten Verbindungsfaser im Phasenverschiebungsbereich bestimmt die halbe Weite des Scheitelwerts.
  • Wie in Fig. 11 augenscheinlich, zeigen Mach-Zehnder Vorrichtungen, die in Übereinstimmung mit der Erfindung gebildet sind, eine größere Finesse pro Stufe als vorhergehende Mach-Zehnder Vorrichtungen.
  • Die Vorrichtung der Fig. 5 kann durch Einbringen einstellbarer Phasenverschiebungsmittel in jede der Verbindungsfasern 25, 26 und 27 abgestimmt werden. Wenn die Phasenverschiebung auf einer Bahn justiert ist, ist es nötig, die Phasenverschiebung in allen bis auf eine der verbleibenden Bahnen zu justieren, um die Phasenverschiebungen in Übereinstimmung mit den obigen Verhältnissen aufrechtzuerhalten.

Claims (6)

1.Mach-Zehnder Filter zum Durchlaß eines Signals, dessen Wellenlängenspektrum um eine Wellenlänge λf zentriert ist, wobei das Filter umfaßt
einen Eingangskoppler (20; 41) zum Aufteilen eines Eingangssignals in N gleiche, sich gleichzeitig fortpflanzende Ausgangssignale mit N > 2,
Vereinigungsmittel (28; 42) zum Zusammenfassen der N optischen Signale zu einem einzigen Ausgangssignal und
N optische Wellenleiter (25, 26, 27; F1a, F2a, F3a) zum Übermitteln der N Ausgangssignale zu den Vereinigungsmitteln, wobei jeder der optischen Wellenleiter das hindurchtretende Licht einer Verzögerung unterwirft, die sich von der durch das durch jeden der anderen optischen Wellenleiter fortpflanzenden Licht bedingten Verzögerung unterscheidet,
dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskoppler ein verschmolzener Faserkoppler (41) ist, der eine Eingangskoppelfaser (F&sub4;; 81; 88) einschließt, die von N gleichweit beabstandeten Ausgangskoppelfasern (F&sub1;, F&sub2;. F&sub3;; 80; 87) umgeben ist, wobei die Eingangskoppelfaser und die Ausgangskoppelfasern miteinander verschmolzen und in einem Koppelbereich (51) eingezogen sind,
die N optischen Wellenleiter N optische Wellenleiterfasern (F1a. F2a. F3a) sind und daß
der verschmolzene Faserkoppler Mittel (82; 93; 44) zum Verhindern einer Kopplung zwischen einer der benachbarten Ausgangskoppelfasern umfaßt.
2. Filter nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zur Kopplungsverhinderung einen Glasbereich (82, 94) mit einem Brechungsindex umfassen, der niedriger ist als jener der Koppelfaserüberzüge.
3. Filter nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zur Kopplungsverhinderung einen Luftspalt umfassen.
4. Filter nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, der weiterhin einen länglichen Körper aus Matrixglas (49, 83, 91) umfaßt, wobei die Vereinigungsmittel und die N optischen Wellenleiterfasern innerhalb dieses Körpers angeordnet sind.
5. Filter nach Anspruch 4, bei dem die optischen Wellenleiterfasern (F1a, F2a, F&sub3;a) die gleiche Länge und verschiedene Brechungsindexprofile oder verschiedene Kerndurchmesser aufweisen.
6. Filter nach Anspruch 5, bei dem jede Wellenleiterfaser einen Kernbereich mit Brechungsindex n&sub1; aufweist, der von einer Umhüllung mit Brechungsindex n&sub2; umgeben ist, wobei die Differenz der relativen Brechungsindizes zwischen dem Kern und der Umhüllung einer Wellenleiterfaser einen Δ-Wert definiert, der gleich ist (n&sub1;² - n&sub2;² )/(2n&sub1;²) und wobei die Δ-Werte einer ersten Faser und einer zweiten Faser Δ&sub1; bzw. Δ&sub2; sind und Δi, der Δ-Wert der i-ten Faser, die Beziehung Δi = Δ&sub1; + (i-1)( Δ&sub2;- Δ&sub1;) erfüllt.
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