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Diese Anmeldung ist eine Weiterentwicklung der Modenfeld-
Modifizierer-Technologie, die in EP-A-299 603 gelehrt wird.
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Diese Erfindung betrifft Lichtwellenleiter-Verbindungsstücke, und
insbesondere Verbindungsstücke, die einen Lichtwellenleiter mit einer
Quelle oder einem weiteren Lichtwellenleiter mit sehr geringem
Verlust und mit geringer Empfindlichkeit gegenüber lateraler
Fehlausrichtung verbinden können.
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Obwohl die vorliegende Erfindung Anwendung beim Koppeln von Licht von
einer Quelle zu einem Lichtwellenleiter findet, wird die vorliegende
Diskussion auf Probleme beim Ausrichten von Verbindungsstücken auf
Verbindungsstücke zwischen Fasern beschränkt. Die Verbindung am
stumpfen Ende zwischen den Enden zweier Lichtwellenleiter wird in
einem Einfügungsverlust resultieren, der durch verschiedene Parameter
einer Fehlausrichtung der Faser verursacht wird. Beispiele davon
sind: (a) eine laterale Fehlausrichtung zwischen den Achsen der zwei
Fasern, (b) eine Trennung in Längsrichtung zwischen den Endflächen
der zwei Fasern, und (c) eine winkelmäßige Fehlausrichtung zwischen
den Achsen der zwei Fasern. Da die Faseranordnung am stumpfen Ende,
an dem die zwei Faserendflächen aneinandergrenzen, besonders
empfindlich gegenüber einem lateralen Versatz ist, ist es schwierig, diesen
Typ von Verbindungsstück bei Feldanwendungen zu verwenden.
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Strahlaufweiter, bei denen Linsen oder verjüngte Fasern verwendet
werden, sind bei Verbindungsstücken für eine serielle Verbindung von
Einzelmode-Fasern verwendet worden, die aufgrund ihrer kleinen
Kerndurchmesser äußerst empfindlich gegenüber einer lateralen
Fehlausrichtung sind. Obwohl solche Strahlaufweiter eine reduzierte
Empfindlichkeit gegenüber einem lateralen Versatz zeigen, sind sie
gegenüber einer winkelmäßigen Fehlausrichtung empfindlicher. Die
Technik des Ausrichtens zweier Verbindungsstück-Hälften ist in
ausreichendem Maß entwickelt, so daß eine solche erhöhte Empfindlichkeit
gegenüber einer winkelmäßigen Fehlausrichtung toleriert werden kann.
Aufweitungsstrahl-Verbindungsstücke erhalten daher ein
bemerkenswertes Maß an Beachtung. Jedoch sind die Kosten der Aufweitungsstrahl-
Verbindungsstücke vom Linsentyp so hoch, daß sie keinen weit
verbreiteten Einsatz erreicht haben.
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Die EP-A-76 186 lehrt auch ein Aufweitungsstrahl-Verbindungsstück vom
sich nach unten verjüngendem Typ. Die Vorrichtung umfaßt zwei
Modenfeld-Modifizierer mit verjüngten Fasern P&sub1;t und P&sub2;t zum Verbinden
von Fasern F&sub1; und F&sub2;. Das Wellenfeld des Signals wird in der
Verjüngung nach unten aufgeweitet, wodurch die Auswirkung einer lateralen
Fehlausrichtung erniedrigt wird. Jedoch scheint die Verjüngung
nichtadiabatisch zu sein, wodurch der Koppler aufgrund einer Wellentyp-
Kopplung in dem Bereich, der sich nach unten verjüngt, einen Verlust
erleiden wird.
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Das Grundprinzip von verjüngten Aufweitungsstrahl-Verbindungsstücken
des sich nach unten verjüngenden Typs ist in der Veröffentlichung von
K.P. Jedrzejewski et al "Tapered-Beam Expander for Single-Mode
Optical-Fiber Gap Devices" Electronics Letters, 16. Januar 1986, Bd.
22, Nr. 2, S. 105-106 beschrieben. Diese Veröffentlichung lehrt ein
Verbindungsstück von dem Typ, bei dem eine Einzelmode-Faser mit einem
Brechungsindex n&sub1; des Kerns und einem Brechungsindex n&sub2; des Mantels
durch Kapillarrohr aus Glas mit einem Brechungsindex von n&sub3;, der etwas
kleiner als n&sub2; ist, gezogen wird. Das Kapillarrohr wird einheitlich
erhitzt, damit es um die Faser schiebbar ist. Der Zentralbereich der
Kombination aus Faser und Kapillarrohr wird dann zu einem minimalen
Halsdurchmesser von 40 um verjüngt, der zum Bearbeiten und Teilen der
Faser geeignet ist. Es wird gesagt, daß ein Verjüngungsverhältnis
von 4:1 zum Minimieren eines Einfügungsverlustes geeignet ist. Das
Feld wird anfangs geführt durch und im wesentlichen begrenzt auf den
Kern der Einzelmode-Faser. Wenn sich die Energie durch die
Verjüngung zu ihrem Ende mit kleinem Durchmesser ausbreitet, weitet sich
das Feld nach außen auf und wird möglicherweise nicht länger durch
den Kern geführt, sondern wird effektiv durch den Wellenleiter
geführt, der aus dem Mantel und dem Kapillarrohr besteht. Die
Veröffentlichung von Jedrzejewski et al lehrt, daß die Verjüngung
adiabatisch sein sollte, da eine solche Verjüngung durch eine Modenkopplung
einen vernachlässigbaren Verlust erleiden wird, und es sind
Gleichungen darin angegeben, die die Bedingung für eine Verjüngung
definieren, damit sie adiabatisch bleibt. Das Erfordernis, daß die
Verjüngung adiabatisch ist, ist bisher weit verbreitet akzeptiert worden,
weil man gedacht hat, daß die gesamte Leistung, die in Moden
gekoppelt wird, die andere als der Grundmodus ist, verloren wird, was in
einem nichtakzeptablen Verbindungsstück-Verlust resultiert. Bei
einer adiabatisch verjüngten Struktur, wie beispielsweise jener, die
von Jedrzejewski et al offenbart ist, wobei die Länge des
Gesamtkopplers der beiden Verbindungsstück-Hälften 2 cm (etwa die minimale
adiabatische Länge) ist, kann eine maximale Strahlaufweitung auf
ungefähr ein Vierfaches erreicht werden. Die erforderliche Länge für
solche adiabatischen Verbindungsstücke erhöht sich etwa quadratisch
mit der erhöhten Strahlaufweitung.
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Es ist auch gedacht worden, daß verjüngte Strahlaufweiter des sich
nach oben verjüngenden Typs adiabatisch verjüngt sein sollten.
Solche sich nach oben verjüngenden Strahlaufweiter sind in den folgenden
Veröffentlichungen beschrieben: N. Amitay et al, "Optical Fiber
Tapers - a Novel Approach to Self-Aligned Beam Expansion and Single-
Mode Hardware", Journal of Lightwave Technology, Bd. LT-5, Nr. 1,
Januar 1987, S. 70-76; D. Marcuse, "Mode Conversion in Optical Fibers
with Monotonocally Increasing Core Radius", Journal of Lightwave
Technology, Bd. LT-5, Nr. 1, Januar 1987, S. 125-33; und H.M. Presby
et al, "Optical Fiber Tapers at 1.3 um for Self-Aligned Beam
Expansion and Single Mode Hardware", Journal of Lightwave Technology, Bd.
LT-5, Nr. 8, August 1987, S. 1123-1128. Die Veröffentlichungen von
Mitay et al und Marcuse geben an, daß eine Umwandlung des Grundmodus
zu Moden höherer Ordnung oder eine Strahlung durch die Verjüngung,
die an dem vergrößerten Ende eine Multimode-Ausbreitung unterstützen
kann, vernachlässigbar sein muß, wenn ein sehr niedriger zusätzlicher
Kopplungs-Verlust beibehalten werden soll. Die Veröffentlichung von
Presby et al behauptet, daß Verluste, die 1 dB überschreiten, für
Taper bzw. Verjüngungen mit Längen bis zu 1 cm aufgetreten sind, und
daß für längere Längen, d.h. glattere Taper, der Verlust abnimmt.
Presby et al behaupten auch, daß ein relativ sanfter und glatter
Übergang von der Faser zum Taper über eine Länge von etwa 6 cm
stattfindet, und daß keine signifikante Menge an Modenumwandlung in dem
Taper stattfindet. Solche adiabatischen Taper-Längen würden
ungewöhnlich lange Verbindungsstücke zur Folge haben.
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Das wirksame Koppeln von Licht von einer Quelle zu einem
Lichtwellenleiter ist auch ein wichtiges Erfordernis bei optischen
Nachrichtenübertragungssystemen. Der Aufbau eines lokalen Bereichsnetzwerks
oder einer Teilnehmerschleife ist in kritischem Maße abhängig von der
verfügbaren optischen Leistung. Wenn sich Licht durch das System
ausbreitet, tritt ein Verlust auf, und möglicherweise wird der
optische Leistungspegel zu niedrig, um zuverlässig detektiert zu werden.
Durch Erhöhen der Effizienz des Koppelns von Licht von einer Quelle,
wie beispielsweise einer Laserdiode oder einer LED, in eine
Einzelmode-Faser, würde die Leistungsfähigkeit des Systems
signifikant verbessert werden. Verschiedene Vorteile könnten aus einer
derartigen Verbesserung resultieren. Beispielsweise könnten billige
LEDs teure Laserdioden ersetzen.
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Verschiedene Verfahren werden gegenwärtig verwendet, um Licht von
einer Quelle in eine Faser zu koppeln, einschließlich einer Kopplung
am stumpfen Ende, sphärischer und nichtsphärischer Linsen,
Gradienten-Index-Linsen und adiabatisch verjüngter Fasern. Diese
Verfahren können die Ausrichtungserfordernisse für die Faser ändern,
aber sie können keine signifikanten Verbesserungen der
Kopplungseffizienz bieten, und zwar aufgrund eines Beibehaltens des Modenvolumens.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verjüngten Strahlaufweiter zu schaffen, dessen Länge kürzer als jene
herkömmlicher verjüngter Faser-Strahlaufweiter ist. Eine weitere
Aufgabe ist es, einen verjüngten Strahlaufweiter zu schaffen, der eine
relativ große Strahlaufweitung in relativ kurzer Entfernung erzeugen
kann. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verbindungsstück für ein
optisches Signal mit einer erhöhten Kopplungseffizienz zu schaffen.
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Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 7 und 8 definiert.
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Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Modenfeld-
Modifizierer zum Koppeln eines Lichtwellenleiters zur optischen
Nachrichtenübertragung mit einer Lichtquelle, wie beispielsweise einem
weiteren Modenfeld-Modifizierer, oder einer
Lichterzeugungseinrichtung, wie beispielsweise einem Laser oder einer LED. Zwei solche
Modenfeld-Modifizierer können Ende an Ende mit ihren Achsen in
wesentlicher Ausrichtung verbunden werden, um eine Verbindung mit
niedrigem Verlust zwischen daran angeschlossenen Fasern zu bewirken.
Der vorliegende Modenfeld-Modifizierer ist auch nützlich zum
Verbinden eines Lichtwellenleiters mit einer Lichtquelle oder einem
Detektor. Der Modifizierer umfaßt einen Modifiziererkern mit einem
Brechungsindex n&sub1;, der durch eine Ummantelungseinrichtung mit einem
Brechungsindex, der niedriger als n&sub1; ist, umgeben ist. Zwischen den
Enden des Modenfeld-Modifizierers gibt es einen verjüngten Bereich, der
dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine nichtadiabatische Verjüngung
aufweist, wodurch ein signifikantes Maß an Modenkopplung darin
auftritt. Der Modenfeld-Modifizierer umfaßt vorzugsweise einen
adiabatischen Bereich ausreichender Länge, die derart ist, daß die
relativen Phasen der Moden an der Verbindungsstelle zwischen den
adiabatischen und verjüngten Bereichen jene Beziehung haben, die notwendig
ist, damit im wesentlichen der maximal mögliche Energiebetrag von der
Quelle zu dem Lichtwellenleiter zur optischen Nachrichtenübertragung
koppelbar ist. Die Länge des adiabatischen Bereichs hängt von
solchen Faktoren wie der Länge und dem Neigungswinkel des verjüngten
Bereichs und den Brechungsindizes des Kerns und der
Ummantelungseinrichtung ab.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Ende mit kleinem Durchmesser
angrenzend zu der Quelle angeordnet, wobei der Abschnitt des
Modifizierers an dem Ende mit kleinem Durchmesser den adiabatischen Bereich
bildet. Zusätzlich umfaßt die Ummantelungseinrichtung eine erste
Mantelschicht mit einem Brechungsindex n&sub2;, die den Modifiziererkern
umgibt, und eine zweite Mantelschicht mit einem Brechungsindex n&sub3; auf
der Oberfläche der ersten Mantelschicht, wobei n&sub2; größer als n&sub3; ist.
Die Durchmesser wenigstens des Kerns und der ersten Mantelschicht an
dem Ende mit großem Durchmesser sind größer als die entsprechenden
Durchmesser an dem Ende mit kleinem Durchmesser, wodurch der
Modenfeld eines optischen Signals, das sich in einem Ende des
Modifizierers ausbreitet, geändert wird, wenn er sich durch den verjüngten
Bereich ausbreitet. Die Durchmesser des Kerns und der ersten
Mantelschicht an dem Ende mit kleinem Durchmesser sind ausreichend klein,
so daß das Feld eines Signals, das sich in dem Ende des Modifizierers
mit großem Durchmesser zu seinem Ende mit kleinem Durchmesser
ausbreitet, sich aufweitet und effektiv durch die Wellenführung geführt
wird, die aus dem ersten und dem zweiten Mantel besteht.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Ende mit großem
Durchmesser angrenzend zu der Quelle angeordnet, und der Abschnitt des
Modifizierers an dem Ende mit großem Durchmesser bildet den
adiabatischen Bereich.
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Für eine gegebene Strahlaufweitung kann die axiale Länge eines
nichtadiabatisch verjüngten Bereichs des vorliegenden Kopplers viel
kleiner als ein adiabatisch verjüngter Bereich eines herkömmlichen
Modenfeld-Modifizierers sein. Weil die große Strahlaufweitung
erreicht werden kann, ist das vorliegende Verbindungsstück insbesondere
nützlich zum Verbinden von Lichtquellen mit optischen Einzelmode-
Fasern mit kleinen Kerndurchmessern.
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Fig. 1 ist eine Teil-Querschnittansicht eines Verbindungsstücks mit
einer sich nach unten verjüngenden Faser für eine serielle
Verbindung unter Verwendung von zwei
Modenfeld-Modifizierern.
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Fig. 2 ist eine Querschnittansicht der Modenfeld-Modifizierer der
Fig. 1.
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Fig. 3 ist eine Querschnittansicht entlang der Linien 4-4 der Fig.
2.
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Fig. 4 ist ein Brechungsindex-Profil des Endes mit großem
Durchmesser des Modenfeld-Modifizierers der Fig. 2.
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Fig. 5 ist eine Kurve, die die berechnete Beziehung zwischen der
Länge La der adiabatischen Bereiche eines Verbindungsstücks
und der Lichttransmission dadurch darstellt.
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Fig. 6 ist ein Ausdruck einer berechneten Länge La über einer
Lichttransmission für einen Aufbau eines Verbindungsstücks, wobei
ein Taper- bzw. Verjüngungsverhältnis optimiert ist, um eine
maximale Strahlaufweitung zu erreichen.
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Fig. 7 ist die berechnete Transmissionsfunktion einer getesteten
Vorrichtung.
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Fig. 8 ist eine Kurve, wobei eine Transmission als eine Funktion
der Wellenlänge aufgezeichnet ist, wobei die durchgezogene
Linie zu gemessenen Werten einer aktuellen Vorrichtung
gehört, und die Kreise berechnete Punkte bezeichnen.
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Fig. 9 ist eine sich nach oben verjüngende
Modenfeld-Modifizierer-Verbindung zwischen einem
Lichtwellenleiter und einer Lichtquelle.
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Fig. 10 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Länge des
adiabatischen Bereichs des Verbindungsstücks der Fig. 9 und
der Lichttransmission durch jenes Verbindungsstück
darstellt.
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Fig. 11 stellt ein abgeändertes Brechungsindex-Profil eines
Modenfeld-Modifizierers dar.
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Fig. 12 ist eine Querschnittansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Modenfeld-Modifizierers.
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Fig. 13 und 14 sind Querschnittansichten, die Schritte darstellen,
die an der Endfläche eines Modenfeld-Modifizierers
durchgeführt sind, um darin eine gute Faserverbindung auszubilden.
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Fig. 15 ist eine Teil-Querschnittansicht eines Verbindungsstücks zur
seriellen Verbindung mit einer sich nach oben verjüngenden
Faser, das zwei Modenfeld-Modifizierer verwendet.
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Fig. 16 ist eine Querschnittansicht eines sich nach oben
verjüngenden Modenfeld-Modifizierers.
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Fig. 17 ist ein Brechungsindex-Profil des Modenfeld-Modifizierers
der Fig. 16.
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Fig. 18 ist eine Kurve, die die berechnete Beziehung zwischen der
Länge La' der adiabatischen Bereiche eines sich nach oben
verjüngenden Verbindungsstücks und die Lichttransmission
dadurch darstellt.
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Fig. 19 ist eine Teil-Querschnittansicht einer sich nach oben
verjüngeden Modenfeld-Modifizierer-Verbindung zwischen einem
Lichtwellenleiter und einer Lichtquelle.
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Fig. 1 zeigt ein Faser-zu-Faser-Verbindungsstück für eine serielle
Verbindung des sich nach unten verjüngenden Modenfeld-Durchmesser-
Abänderungstyps. Zwei Verbindungsstückhälften oder Modenfeld-
Modifizierer 12 und 14 sind miteinander in axialer Ausrichtung durch
eine Hülse 16 gesichert. Lichtwellenleiter 17 und 19 zur optischen
Nachrichtenübertragung, die miteinander zu verbinden sind, werden mit
den kurzen Fasern oder "Anschlußfasern" 18 und 20, die sich von den
Enden der jeweiligen Modenfeld-Modifizierer 12 und 14 mit großem
Durchmesser erstrecken, verschmolzen oder mechanisch verbunden. Wenn
ein optisches Signal von einer Faser 17 zu einer Faser 19 zu koppeln
ist, wird der Modifizierer 12 der Eingangsmodifizierer genannt. Ein
optisches Signal, das sich in den Fasern 17 und 18 ausbreitet, wird
zu dem Kern des Eingangs-Modenfeld-Modifizierers 12 gekoppelt. Wenn
sich dieses Signal zu dem Ende mit kleinem Durchmesser des
Modifizierers 12 ausbreitet, erweitert sich der Modenfeld-Durchmesser, wobei
der erweiterte Strahl in das Ende mit kleinem Durchmesser des
Modenfeld-Modifizierers 14 koppelt. Aufgrund des großen Ausmaßes des
Strahls an den Enden mit kleinem Durchmesser ist das Verbindungsstück
für den aufgeweiteten Strahl sehr viel weniger empfindlich gegenüber
einer lateralen Fehlausrichtung. Wenn sich das Signal durch den
Ausgangs-Modenfeld-Modifizierer 14 ausbreitet, verengt sich das
Modenfeld, da die Energie die Verjüngung nach oben jenes Modifizierers
umkehrt.
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Das einfachste Ausführungsbeispiel des Faser-zu-Faser-
Verbindungsstücks der vorliegenden Erfindung ist in größerem Detail
in den Fig. 2 und 3 gezeigt, und das Brechungsindex-Profil seines
Endes mit großem Durchmesser ist in Fig. 4 gezeigt. Der Modenfeld-
Modifizierer 40 umfaßt einen Kern 42 mit einem Brechungsindex n&sub1;, der
durch konzentrische Mantelschichten 44 und 46 mit Brechungsindizes n&sub2;
bzw. n&sub3; umgeben ist, wobei n&sub1;> n&sub2;> n&sub3;. Der Kern 42 und der Mantel 44
bilden eine Lichtwellenleiter-Anschlußfaser 48, die sich sich von
einer Endfläche 50 der zweiten Mantelschicht 46 erstreckt. Der
Modenfeld-Modifizierer 60 ist gleichermaßen aus einem Kern 56, einer
ersten Mantelschicht 58 und einer zweiten Mantelschicht 62 gebildet,
wobei der Kern 56 und die Mantelschicht 58 eine Faser-Anschlußfaser
54 bilden, die sich von einer Endfläche 52 erstreckt. Die
Brechungsindizes des Kerns 56 und der Mantelschichten 58 und 62 sind
vorzugsweise jeweils n&sub1;, n&sub2; und n&sub3;. Jeder Modenfeld-Modifizierer 40 und 60
ist derart dargestellt, daß er einen Bereich W mit großem Durchmesser
und einen Bereich A mit kleinem Durchmesser umfaßt, die durch einen
verjüngten Bereich N verbunden sind. Die zwei Bereiche A und W sind
adiabatische Bereiche, worin im wesentlichen keine Modenkopplung
auftritt. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die
Durchmesser der Bereiche A und W entweder im wesentlichen konstant
oder sie können ein unbedeutendes Maß an Verjüngung enthalten, und
zwar in Abhängigkeit von der Herstellungstechnik. Für jede dieser
Varianten des dargestellten Ausführungsbeispiels ist das Maß an
Verjüngung, wenn es überhaupt da ist, nicht ausreichend, um mehr als
eine unbedeutende Menge einer Strahlaufweitung zu erzeugen. Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel wäre der Betrag einer
adiabatischen Verjüngung in dem Bereich A ausreichend, um irgendeinen
meßbaren Betrag einer Strahlaufweitung zu erzeugen, der ein Additiv zu der
Strahlaufweitung ist, die durch den nichtadiabatischen Bereich N
verursacht wird. Die Endfläche eines der Bereiche A ist angrenzend zu
der entsprechenden Endfläche des anderen Bereichs A positioniert, um
eine Schnittstelle 64 zu bilden. Die axialen Längen der Bereiche W
sind unkritisch und die Längen dieser Bereiche können, insoweit es
eine Operation der Vorrichtung betrifft, Null sein. In der Praxis
kann es leichter sein, Modenfeld-Modifizierer mit Bereichen W
endlicher Längen aufzubauen. Die kombinierte Länge beider Bereiche A, die
gleich La ist, ist kritisch, wie es hier nachfolgend beschrieben wird.
Obwohl die Längen der adiabatischen Bereiche A der Vorrichtungen 40
und 60 vorzugsweise 1/2 La sind, könnten jene Längen ungleich sein,
vorausgesetzt daß sie insgesamt La sind.
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Es ist bekannt, daß die Durchmesser wenigstens der Kerne und der
ersten Mantelschichten Zwischen-Endflächen 50 und 52 und eine
Schnittstelle 64 für Vorrichtungen 40 und 60 ändern müssen, um als
Modenfeld-Modifizierer zu wirken. Wie es oben angegeben ist, waren
die Bereiche N bisher adiabatisch verjüngt, da man dachte, daß sonst
die gesamte Leistung, die zu Moden gekoppelt wird, die andere als der
Grundmodus sind, verloren wird. Wie es in der zuvor genannen
Veröffentlichung von Jedrzejewski et al gezeigt ist, ist die maximale
adiabatische Verjüngung für eine verjüngte Einzelmode-Faser gegeben
durch:
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da/dz ≤ a/zb (1)
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wobei a der Radius des Kerns bei einem gegebenen Punkt entlang der
Verjüngung ist, und die Schwebungslänge zb ist gegeben durch:
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zb = 2π/(β&sub1;-β&sub2;) (2)
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wobei β&sub1; die Ausbreitungskonstante des Grundmodus ist (bestimmt den
HE&sub1;&sub1;- oder LP&sub0;&sub1;-Modus), und β&sub2; die Ausbreitungskonstante des Modus
erster höherer Ordnung ist, der zu dem Grundmodus koppeln kann
(normalerweise der HE&sub1;&sub2;- oder LP&sub0;&sub2;-Mode). Der Ausdruck z ist der
Abstand entlang der Achse des Verbindungsstücks.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verbindungsstück mit
niedrigem Verlust mit nichtadiabatisch verjüngten Bereichen N
ausgebildet, d.h. sie haben Neigungswinkel, die durch folgende Beziehung
definiert sind:
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da/dz > a/zb (3)
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wodurch ein wesentliches Maß an Modenkopplung darin auftritt. Als
ein Ergebnis der Abänderung der vorliegenden Erfindung ist die Länge
Lh des verjüngten Bereichs viel kürzer als jene einer adiabatischen
Verjüngung, die dieselbe Strahlaufweitung erzeugen kann. Wenn die
Länge eines Verbindungsstücks, das gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist, etwa dieselbe wie jene einer adiabatischen Vorrichtung
ist, kann die Strahlaufweitung, die durch das Verbindungsstück der
vorliegenden Erfindung erreicht wird, viel größer als jene des
adiabatischen Verbindungsstücks sein.
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Das oben beschriebene Verbindungsstück kann durch die Technik
hergestellt werden, die in der zuvor genannten Veröffentlichung von
Jedrzejewski et al beschrieben ist. Eine Länge einer Einzelmode-Faser
wird ausgewählt, um die erwünschten Anschlußfaserlängen zu erzeugen.
Nachdem die Ummantelung von einem zentralen Abschnitt der Faser
abgestreift ist, wird sie durch ein Kapillarrohr aus Glas gesteckt, und
der abgestreifte Abschnitt der Faser wird in dem Rohr zentriert. Das
Rohr hat eine niedrigere Schmelzpunkt-Temperatur und einen
niedrigeren Brechungsindex als der Fasermantel. Das Rohr wird unter Erhitzen
des Rohrs bis zu seinem Schmelzpunkt auf die Faser geschoben. Das
Verfahren und das Gerät, die in der US-A-4799949 (die hierin durch
Bezugnahme enthalten ist) beschrieben sind, kann verwendet werden, um
den zentralen Abschnitt des aufgeschobenen Rohrs zu dehnen, um
dadurch verjüngte Bereiche N und Bereiche A mit kleinem Durchmesser zu
bilden, deren Länge größer als La ist. Die resultierende doppelt
verjüngte Vorrichtung wird geteilt, um sie in zwei Hälften zu trennen,
und die Länge jedes Bereichs A wird auf den erwünschten Wert auf die
Weise eingestellt, die hier nachfolgend beschrieben ist.
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Es ist herausgefunden worden, daß ein niedriger Einfügungsverlust in
einem nichtadiabatisch verjüngten Verbindungsstück durch Optimieren
der folgenden Variablen erreicht werden kann: (a) des
Brechungsindex-Profils, (b) des Verjüngungsprofils und (c) der Länge
La, die die kombinierte Länge der adiabatischen Bereiche A der
Modenfeld-Modifizierer 40 und 60 ist. Die Formen des verjüngten
Bereichs N und des adiabatischen Bereichs A werden bis zu einem
gewissen Ausmaß durch das Herstellungsverfahren bestimmt. Mit einer
geeigneten Verfahrenssteuerung der Formen könnten sie als zusätzliche
Konstruktionsparameter verwendet werden.
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Das Brechungsindex-Profil und das Verjüngungsverhältnis werden durch
die gewünschte Menge an Strahlaufweitung, die Verlusttoleranzen, die
akzeptierbar sind, und praktische Herstellungserfordernisse, wie
beispielsweise die Fähigkeit zum Minimieren von Glasaufweitungs-
Fehlanpassungen und die Föhigkeit zum Steuern des Indexprofils und
der Verjüngungsgeometrie, bestimmt. Wenn der Modenfeld-Modifizierer
durch herkömmliche Techniken ausgebildet wird, wobei der Durchmesser
D&sub1; proportional zu dem Außendurchmesser (OD) des Bereichs W ist, und
der Durchmesser D&sub2; proportional zu dem OD des Bereichs A ist, ist das
Verjüngungsverhältnis gleich dem Verhältnis des OD des Bereichs W zu
dem OD des Bereichs A. Das Verjüngungsprofil (seine Länge, Form und
Verjüngungsverhältnis) und das Indexprofil steuern das Maß an
gegenseitiger Modenkopplung und das Abschneiden von Moden höherer Ordnung.
Die Länge La stellt die Phasendifferenz zwischen den
leistungstragenden Moden ein, die ein kritischer Parameter für Faser-zu-Faser-
Verbindungsstücke ist, der sicherstellt, daß das meiste der Leistung
in den Grundmodus in der Verjüngung nach oben des Ausgangs-Modenfeld-
Modifizierers gekoppelt wird.
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Ein Computermodell hat gezeigt, daß ein Einzelmode-Faser-zu-Faser-
Verbindungsstück derart aufgebaut werden kann, daß der Grundmodus der
Eingangsfaser in 2, 3 oder 4 Moden umgewandelt wird, die sich in dem
adiabatischen Bereich A ausbreiten. Es sind auch Aufbauten möglich,
die in der Ausbreitung von mehr als vier Moden in dem Bereich A
resultieren. Eine geeignete Länge La kann berechnet werden, die in dem
richtigen Einphasen der Moden resultieren wird, um eine maximale
Umwandlung zu dem Grundmodus in dem Ausgangs-Modenfeld-Modifizierer zu
erhalten. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist auch auf
Verbindungsstücke für Fasern zur Nachrichtenübertragung mit weniger
Moden, wie beispielsweise Zweimode-Fasern anwendbar. Um zwei Fasern
mit n Moden zu verbinden, kann eine ähnliche Analyse durchgeführt
werden, um die Form und Länge des verjüngten Bereichs zu bestimmen,
damit wenigstens (n+1) leistungstragende Moden in dem Bereich A
erzeugbar sind, und die richtige Länge La zum Erreichen der maximalen
Kombination der nach unten umgewandelten Moden in dem Ausgangs-
Modenfeld-Modifizierer bestimmbar ist.
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Die Fähigkeit des Verbindungsstückpakets, einen winkelmäßigen Versatz
zwischen den zwei Modenfeld-Modifizierern zu steuern, begrenzt die
maximale Menge der Strahlaufweitung, die verwendet werden kann, da
die Empfindlichkeit des Verbindungsstücks gegenüber einem
winkelmäßigen Versatz mit vergrößerter Strahlaufweitung ansteigt. Mit "Paket"
ist jener Stütz-/Ausrichtmechanismus (schematisch durch eine Hülse 16
der Fig. 1 dargestellt) gemeint, von dem es eine Funktion ist, die
axiale und laterale Ausrichtung der Modenfeld-Modifizierer zu
steuern. Weil dieser nichtadiabatische Aufbau bemerkenswert verkürzte
Verbindungsstücke zuläßt, wird die gesamte maximale Länge (zwischen
Endflächen 50 und 52) primär eher durch Paket-Überlegungen bestimmt,
die notwendig sind, um eine adäquate winkelmäßige Ausrichtung zu
erzeugen, als durch eine Notwendigkeit, eine adäquate Strahlaufweitung
zu erzeugen.
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Beim Entwerfen eines Verbindungsstücks muß der Typ der Fasern, die zu
verbinden sind, in Erwägung gezogen werden. Die Anzahl von Moden,
die sich an dem Ende mit kleinem Durchmesser der Verjüngung
ausbreiten, und die Phasenbeziehung jener Moden kann theoretisch für jede
gegebene Verjüngung bestimmt werden. Nimmt man die Modenverteilung
der Energie in der Eingangsfaser und die Modenumwandlungs- und
Ausbreitungskennlinien der verjüngten Bereiche, wird dann die
Gesamtlänge La der zwei adiabatischen Bereiche A bestimmt, um einen niedrigen
Verlust bei den Wellenlängen von Interesse sicherzustellen. Es kann
eine Standardtheorie für gekoppelte lokale Moden verwendet werden.
Da diese Theorie wohlbekannt ist, wird sie hier nur kurz umrissen.
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Bei der Theorie über gekoppelte Moden ist die Lösung der skalaren
Wellengleichung:
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Ψ(x,y,z), wobei ein positives z die Richtung der optischen
Ausbreitung ist, kann in Ausdrücken der lokalen Moden der Wellenführung
ausgedrückt werden;
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Ψj(x,y;z), wobei z jetzt ein Parameter ist, der zuläßt, daß die
normalen Moden sich verändern, wenn die Wellenführung verjüngt ist.
Diese Aufweitung kann wie folgt geschieben werden:
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wobei Cj die Aufweitungskoeffizienten und Bj die
Ausbreitungskonstanten sind. Die Gleichungen für den gekoppelten lokalen Modus sind
dann:
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wobei die Kopplungsmatrix wie folgt ist:
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und die Normalisierung wie folgt ist:
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Die lokalen Moden an jeder Stelle in dem Verbindungsstück können
durch Verwendung der Analyse der endlichen Elemente erhalten werden,
was eine weitere standardmäßige Technik auf dem Gebiet ist, oder in
dem Fall der Stufenindexprofile können die Gleichungen für die
lokalen Moden genau abgeschrieben werden. Uner Verwendung dieser
Lösungen zusammen mit Anfangsbedingungen, die für die erwünschte Eingabe
zu der Vorrichtung geeignet sind, kann Gleichung (5), die obige
Kopplungsmodus-Gleichung, für eine Vielzahl von Längen numerisch
integriert werden, bis die richtige Länge für eine maximale
Transmission gefunden ist.
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Das folgende theoretische Beispiel ist gezeigt, um den Aufbau eines
nichtadiabatisch verjüngten Verbindungsstücks darzustellen, wobei auf
Fig. 2 Bezug genommen wird. Ein kommerziell erhältlicher Einzelmode-
Lichtwellenleiter, der hier nachfolgend als eine Einzelmode-Faser vom
Typ SM genannt wird, wurde zur Verwendung bei der Herstellung des
Verbindungsstücks ausgewählt. Das resulierende Verbindungsstück wird
daher gut zum Verbinden zweier ähnlicher Einzelmode-Fasern geeignet
sein. Es wird eine Betriebs-Wellenlänge von 1300 nm angenommen. Die
ausgewählte Faser hat einen mit GeO&sub2; dotierten SiO&sub2;-Kern (n&sub1; =
1,451278 bei 1300 nm) und einen SiO&sub2;-Mantel (n&sub2; = 1,446918); Δ&sub1;&sub2; der
Faser beträgt 0,30%. Das Symbol Δ ist der relative Brechungsindex,
z.B. Δ&sub1;&sub2; = (n&sub1;²-n&sub2;²)/2n&sub1;². Der Kernradius r&sub1; beträgt 4,0 um und der
Mantelradius r&sub2; beträgt 62,5 um. Der Durchmesser D&sub1; ist daher 125 um.
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Es wird angenommen, daß die Länge der Abschnitte W durch
Verarbeitungsbedingungen eingestellt wird, oder vielleicht durch mechanische
Montagebedingungen in dem Verbindungsstückpaket, und jene Länge wird
beim Bestimmen der maximalen Gesamtlänge des Verbindungsstücks
verwendet.
-
Es ist notwendig, ein Mantel-Übermantel-Delta, nämlich Δ&sub2;&sub3;, zu
bestimmen. Ein niedriger Wert von Δ&sub2;&sub3; ergibt eine Modenaufweitung, die
eine schwächere Funktion des Verjüngungsverhältnisses nahe der
Spitzenaufweitung ist (und daher ist die Modenaufweitung gegenüber
Verarbeitungsveränderungen weniger empfindlich). Jedoch wird die
Verarbeitung des Aufweitens und Ausbildens des Verbindungsstücks für
sehr niedrige Werte von Δ&sub2;&sub3; schwieriger, weil der Schmelzpunkt des
Übermantels sehr nahe dem Schmelzpunkt des Mantels ist, und
Faserverdrehungen in dem Verjüngungsbereich auftreten. Zusätzlich werden die
Fasern bei niedrigen Werten von Δ&sub2;&sub3; eher anfällig für einen
Verbindungsverlust. Es ist herausgefunden worden, daß für die Typen von
Gläsern, die hierin beschrieben sind, die Verarbeitung am besten bei
Werten von Δ&sub2;&sub3; zwischen 0,1% und 0,3% erfolgt, und zum Zwecke dieses
Beispiels wird Δ&sub2;&sub3; derart gewählt, daß es 0,15% ist. Zum Erzeugen
eines derartigen Delta-Werts in bezug auf Siliziumoxid kann ein
Borsilikat-Rohr als der äußere Mantel verwendet werden.
-
Bei gegebenem Wert von Δ&sub2;&sub3; kann man den Übermantel-Radius, der für die
gewünschte Strahlaufweitung benötigt wird, und das entsprechende
Verjüngungsverhältnis berechnen. Es ist bekannt, daß die
Strahlaufweitung nahe einem Verjüngungsverhältnis von etwa 4:1 ein lokales
Maximum erreicht, und zwar in Abhängigkeit von dem Brechungsindex- bzw.
Brechzahlprofil und ein Verjüngungsverhältnis nahe diesem maximalen
Aufweitungspunkt wird für dieses Beispiel ausgewählt. In dem Fall
des Stufenindexprofils des vorliegenden Beispiels kann diese
Berechnung exakt durchgeführt werden (siehe beispielsweise M.J. Adams, An
Introduction to Optical Waveguides, Wiley, NY, 1981). Für das
vorliegende Beispiel, bei dem r&sub2; 62,5 um ist, wird ein
Verjüngungsverhältnis von 5:1 bestimmt. Dieser Wert des Verjüngungsverhältnisses
ist nicht für eine optimierte Aufweitung gewählt, sondern vielmehr
der Einfachheit der Ergebnisse halber, da mit diesen Werten von r&sub2; und
dem Verjüngungsverhältnis sich nur zwei Moden in den adiabatischen
Bereichen A ausbreiten, und die Ergebnisse sind einfacher als jene,
die für eine größere Anzahl von Moden erhalten werden. Aufgrund des
vorbestimmten Verjüngungsverhältnisses beträgt D&sub2; 25 um.
-
Schließlich muß eine Länge und eine Form für den nichtadiabatischen
Verjüngungsbereich eingestellt werden. Wie es nachfolgend erörtert
wird, wird die Länge des adiabatischen Bereichs La, die für eine
optimale Leistungsfähigkeit benötigt wird, durch die unterschiedlichen
Ausbreitungskonstanten der Moden in dem adiabatischen Bereich
bestimmt. Daher und weil die Länge La sich auch in Abhängigkeit von der
Form und der Länge der nichtadiabatischen Verjüngung ändert, wird ein
iteratives Aufbauverfahren benötigt. Als Anfangswert kann eine
Schätzung für La durch Bestimmen der Schwebungslänge der zwei
niedrigsten Moden in den adiabatischen Bereichen A erhalten werden. Die
Schwebung dieser Moden wird das Verhalten der Transmission in den
Ausgangs-Grundmodus dominieren, und so kann La anfangs derart
abgeschätzt werden, daß sie nahe dieser Länge ist. Eine maximale
akzeptable Verbindungsstücklänge (La+2Ln) wird durch Paket-Überlegungen
eingestellt. Die Form wird durch Herstellungsverfahren eingestellt.
Für dieses Beispiel wird ein Wert von Lh = 800 um gewählt, weil eine
derartige kurze Verjüngung betonte nichtadiabatische Effekte zeigt.
Für die nichtadiabatische Verjüngung wird eine einfache Kosinusform
gewählt:
-
wobei R das Verjüngungsverhältnis (R = D&sub1;/D&sub2; = 5,0) ist, und die
Entfernung entlang der Achse von dem Beginn der nichtadiabatischen
Verjüngung an ist. Von dem adiabatischen Bereich wird angenommen, daß
er einen konstanten Radius hat.
-
Unter Verwendung der obigen Parameter wird die Gleichung (5) für den
gekoppelten Modus entlang des Verbindungsstücks für verschiedene
Längen La numerisch integriert, bis eine Länge gefunden wird, für die die
Transmission durch die Vorrichtung und in den Grundmodus der
Ausgangsfaser für die Wellenlänge von Interesse (1300 nm) optimiert ist.
Gemäß diesem Verfahren wurde die Kurve der Fig. 5 erhalten. Wie es
in dieser Figur gezeigt ist, verändert sich der Ausgang dieses
Verbindungsstücks, gemessen durch die Leistung des Grundmodus, der sich
in der Ausgangsfaser 54 ausbreitet, dramatisch mit den Änderungen der
Länge La des adiabatischen Bereichs. Die sinusförmige Veränderung hat
eine Periode von 930 um, was die Schwebungslänge der zwei Moden ist,
die sich in dem adiabatischen Bereich ausbreiten. Das Modell zeigt,
daß etwa 30% der Leistung an dem Anfang des adiabatischen Bereichs
aus dem Grundmodus übertragen worden ist. Der geringe Verlust an der
maximalen Transmissionsstelle ist das Ergebnis der Leistung, die an
einen höheren Modus verloren wird, der in der Verjüngung nach unten
des Eingangs-Modenfeld-Modifizierers abgeschnitten wird.
-
Für den Fall des vorliegenden Modells gibt es eine Länge La = 380 um,
für die die Transmission über 96% beträgt. Die Längentoleranz, die
zum Beibehalten einer Transmission von über 90% benötigt wird, ist in
der Größenordnung von 0,1 mm, was nicht schwierig herzustellen sein
sollte. Es solle beachtet werden, daß die Kurve der Fig. 5 sich
selbst wiederholt, wenn La vergrößert wird, so daß sie zusätzliche
Maxima bei Werten von La von etwa 1310 um, etwa 2240 um etc. zeigen
würde.
-
Eine Vorrichtung mit einem größeren Wert von Δ&sub2;&sub3; und/oder einem
größeren Wert von r&sub2; kann mehr als genau zwei Ausbreitungsmoden in dem
adiabatischen Bereich haben. In solchen Fällen kann dasselbe
Aufbauverfahren verfolgt werden, aber die Transmissionskurve wird eine
komplexere Struktur haben, was charakteristisch für jene Anzahl von
Moden ist, die gegeneinander schwingen.
-
Für das obige Modell des Indexprofils tritt die maximale
Strahlaufweitung für ein Verjüngungsverhältnis von 3.319 auf. Fig. 6 zeigt
die Transmission in den Grundmodus der Ausgangsfaser für diese
Vorrichtung. Das Verhalten ist etwas komplexer als bei dem vorherigen
Beispiel, weil es drei Moden gibt, die sich in dem adiabatischen
Bereich A ausbreiten. Es gibt wieder eine adiabatische Länge, La = 4480
um, für die eine sehr hohe Transmission (größer als 99%) möglich ist.
-
Zum experimentellen Zeigen dieser Effekte wurde eine Vorrichtung
hergestellt, bei der eine Länge einer Einzelmode-Faser verwendet wird,
wobei der Kerndurchmesser r&sub1; 4,0 um war, der Manteldurchmesser r&sub2; 150
um war, der Kern-Brechungsindex n&sub1; 1,461 war und Δ&sub1;&sub2; 0,3% war. Die
zweite Mantelschicht war ein Borsilikat-Rohr mit einem
Außendurchmesser von 2,8 mm, einem Innendurchmesser von 350 um und
einem derartigen Brechungsindex, daß Δ&sub2;&sub3; 0,15% war. Das Rohr wurde
aufgeschoben, und eine doppelt verjüngte Vorrichtung wurde
ausgebildet, wobei das schließliche Verjüngungsverhältnis 5,5 ist, was größer
als für eine optimale Strahlaufweitung ist. Die aktuelle
Verjüngungsform war komplex, aber sie kann sehr gut unter Verwendung der
vorgenannten Konsinusform mit einer nichtadiabatischen
Verjüngungslänge Lh = 3,1 mm angenähert werden.
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Die resultierende doppelt verjüngte Vorrichtung wurde durch Messen
ihres Durchsatzes in den Grundmodus der Ausgangsfaser als eine
Funktion der Wellenlänge getestet. Die Länge des adiabatischen Bereichs
war ungefähr 16 mm. Licht von einem Monochromator wurde in zwei km
der oben beschriebenen Einzelmode-Faser vom Typ SM geschossen. Das
Ausgangssignal dieser Faser wurde in der Anschlußfaser der
nichtadiabatischen Vorrichtung eingegeben, und das Ausgangssignal der
Vorrichtung wurde in eine weitere 2 km lange Einzelmode-Faser vom Typ SM
eingegeben. Diese langen Längen der Abgabe- und Sammelfasern wurde
verwendet, um sicherzustellen, daß nur Licht von dem Grundmodus der
Vorrichtung in dem Eingang zu der Vorrichtung angeregt und an dem
Ausgang der Vorrichtung gemessen wurde.
-
Die berechnete Übertragungs- bzw. Transmissionsfunktion der
getesteten Vorrichtung bei 1300 nm ist als eine Funktion der Länge La in Fig.
7 gezeichnet. Vier Moden breiten sich in den adiabatischen Bereichen
A aus. Ähnliche Berechnungen wurden für eine Vielzahl von
Wellenlängen durchgeführt, und die Wellenlängenabhängigkeit der Übertragung
als eine Funktion der Länge La wurde bestimmt. Die beste Anpassung an
die experimentellen Daten gab es für eine Länge La = 15,60 mm, was
innerhalb des Fehlerbereichs der angenäherten Bestimmung dieser oben
angegebenen Länge ist. In Fig. 8 ist die Transmission als eine
Funktion der Wellenlänge für die aktuelle Vorrichtung aufgezeichnet
(durchgezogene Linie) und auch für die Berechnung (Kreise). Es wurde
in der gemessenen Vorrichtung bei 1200 nm eine Transmission erhalten,
die größer als 90% ist. Die vernünftigerweise gute Übereinstimmung
zwischen Experiment und Theorie über Wellenlängen oberhalb von 1200
nm zeigt an, daß die Vorrichtung tatsächlich die erwarteten
nichtadiabatischen Effekte zeigt. Unterhalb von 1200 nm sind die
Einzelmode-Fasern vom Typ SM vom Multimode-Typ, weshalb die Abgabe-
und Sammelbedingungen komplexer als die modellmäßigen Annahmen sind,
und Abweichungen in diesem Bereich sind zu erwarten.
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Ein nichtadiabatisch verjüngtes Verbindungsstück, das gemäß der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, kann eine vierfache
Strahlaufweitung mit einer "minimalen erforderlichen Verbindungsstücklänge" (La
+ 2Lh) von weniger als 4 nm erreichen. Nur kleine Vergrößerungen der
Länge sind für größere Beträge der Strahlaufweitung nötig, wenn eine
nichtadiabatische Verjüngung verwendet wird. Ein Verbindungsstück
mit adiabatischen Verjüngungen würde eine Gesamtlänge von 2 cm
erfordern, was etwa die minimale adiabatische Länge ist, um eine vierfache
Strahlaufweitung zu erreichen, und die erforderliche Länge jenes Typs
eines Verbindungsstücks vergrößert sich etwa quadratisch mit einer
vergrößerten Strahlaufweitung.
-
Ein nichtadiabatisch verjüngter Modenfeld-Modifizierer kann auch die
Kopplungseffizienz eines Quelle-zu-Faser-Verbindungsstücks erhöhen.
Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, wird Licht von einer Quelle, wie
beispielsweise einer LED 70, in ein nichtadiabatisches Verbindungsstück
72 mit einer Anschlußfaser 74 gekoppelt, mit der die
Übertragungsfaser 76 verbunden ist. Ein Gehäuse 78 enthält einen Hohlraum zum
Positionieren der Quelle 70 in richtiger Ausrichtung mit der Endfläche
86 mit kleinem Durchmesser des Modifizierers 72. Der Modenfeld-
Modifizierer 72 umfaßt einen Kern 80 mit einem Brechungsindex n&sub1;, der
mit konzentrischen Mantelschichten 82 und 84 mit jeweiligen
Brechungsindizes n&sub2; und n&sub3; umgeben ist, deren Beziehungen ähnlich zu den
in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Brechungsindizes ist. Das
Brechungsindex-Profil des Verbindungsstücks 72 ist ähnlich jenem, das
in Fig. 4 dargestellt ist. Der Kern 80 und der Mantel 82 bilden die
Anschlußfaser 74, die sich von einer Endfläche 86 des Modifizierers
72 erstreckt. Der Modifizierer 72 umfaßt einen verjüngten Bereich N'
der Länge Lh' und einen adiabatischen Bereich A' der Länge La'. Licht
von der Quelle 70 stößt auf die Endfläche 86 und regt alle lokalen
Ausbreitungsmoden an. Für ein adiabatisch verjüngtes
Verbindungsstück nach dem Stand der Technik wird nur Leistung in dem Grundmodus
des Verbindungsstücks in den Grundmodus einer Einzelmode-Faser
koppeln. Weil das vorliegende nichtadiabatisch verjüngte
Verbindungsstück einen Zwischenmodul-Leistungstransfer verwendet, kann die
Leistung von mehreren Moden in einen einzelnen Ausgangsmodus gekoppelt
werden. Somit ist es möglich, einen nichtadiabatischen Aufbau zu
wählen, der das meiste der Leistung von allen Moden, die sich im
Bereich A' ausbreiten, in den Grundmodus koppelt, der sich in der
Einzelmode-Faser 74 ausbreitet. Die Leistungs-Kopplungsverstärkung
hängt von der Quelle und der Anzahl von gekoppelten Moden ab.
-
Die Aufgabe dieses Aufbaus ist es, die Leistung zu maximieren, die in
die Ausgangs-Einzelmode- oder -Wenig-Mode-Faser abgegeben wird.
Schließlich könnte der Aufbau eines Quellen-Faser-Verbindungsstücks
eine Abwägung zwischen diesem und anderen Erfordernissen enthalten,
wie beispielsweise einer Empfindlichkeit gegenüber Versatz-
Toleranzen, aber diese Faktoren sind bei dem vorliegenden Beispiel
nicht in Erwägung gezogen. Der erste Schritt beim Aufbauen eines
Quellen-Faser-Verbindungsstücks ist es, die Quellen- und Ausgangs-
Einzelmode-Parameter zu bestimmen. Das Ausgangsfeldmuster der Quelle
ist aus Modellgrunden erforderlich. Zusätzlich werden Paket- und
Verarbeitungserfordernisse der Gesamtlänge der Vorrichtung und dem
Mantel-Übermantel-Δ&sub2;&sub3; Beschränkungen auferlegen.
-
Idealerweise würde die Ausgangssignal-Feldverteilung einer Quelle
genau an das Modenfeld des Grundmodus der Einzelmode-Faser angepaßt
werden. In der Praxis ist dies natürlich nicht der Fall, und die
Felder können sehr unterschiedlich sein, und zwar in Abhängigkeit von
der Quelle. Wie bei dem Fall des Faser-zu-Faser-Verbindungsstücks
ist herausgefunden worden, daß ein Quellen-zu-Faser-Verbindungsstück
derart aufgebaut werden kann, daß Leistung, die in Moden höherer
Ordnung des Verbindungsstücks abgegeben wird, was aufgrund der nicht
perfekten Anpassung der Felder immer auftritt, in den Grundmodus an
dem Ausgang gekoppelt werden kann, was in einer erhöhten
Ausgangsleistung resultiert. Das Maß an Verbesserung verglichen mit einem
adiabatischen Verbindungsstück mit derselben Aufweitung hängt von der
Feldverteilung und den Kohärenzeigenschaften der Quelle ab. Eine
hochkohärente Quelle mit einer Feldverteilung, die gut an die
Grundausbreitungsmode-Feldverteilung des Verbindungsstücks angepaßt
ist, würde nicht signifikant verbessert werden, während eine Quelle
mit einem sehr unterschiedlichen Feld sehr viel effizienter in die
Augangsfaser gekoppelt werden könnte.
-
Zum Darstellen der möglichen Verbesserung eines nichtadiabatischen
Verbindungsstücks, verglichen mit einem adiabatischen, ist das zu
betrachten, wo die Eingabe zu dem Verbingsstück eine ebene Welle ist;
so könnte eine Eingabe in etwa durch eine Laser mit einem großen
Ausgangs-Strahldurchmesser oder durch eine signifikante Quellen-
Verbindungsstück-Trennung erfolgen. Die Faserparamer n&sub1;, r&sub1; und Δ&sub1;&sub2;
sind derart angenommen, daß sie dieselben wie bei dem vorherigen
Faser-zu-Faser-Beispiel sind, wobei die Einzelmode-Faser vom Typ SM
verwendet wurde. Es wird auch angenommen, daß das Mantel-Übermantel-
Δ&sub2;&sub3; 0,15% ist und die Wellenlänge 1300 nm ist. Der Radius r&sub2; ist
wieder 62,5 um und es ist ein End-Verjüngungsverhältnis von 5:1 gewählt.
-
Die Längen La und Lh sind auf eine zu jener bei dem Faser-zu-Faser-
Fall unterschiedliche Art gewählt. Die Aufgabe ist, alles Licht von
den Moden höherer Ordnung, die sich an dem Kopplereingang in den
Grundmodus an dem Ausgang ausbreiten, zu koppeln. Weil die
Zwischenmodus-Kopplung für steilere Verjüngungen stärker wird, gibt
es eine maximale Länge Lh', unter der die Kopplung nicht ausreichend
stark ist, um die gesamte Leistung zu übertragen. Diese maximale
Länge muß durch numerische Integration der Gleichungen für gekoppelte
Moden für eine Vielzahl von Verjüngungslängen (und Längen La')
bestimmt werden. Kürzere Verjüngungslängen werden auch eine komplette
Kopplung für bestimmte Längen La' ergeben, aber da die Länge Lh'
kürzer gemacht ist, ändert sich die geeignete Länge La' für eine
vollständige Kopplung schneller und schneller mit geringfügigen
Veränderungen von Lh'. Die Wahl muß dann angesichts der
Verarbeitungstoleranz-Überlegungen und Paket-Erfordernisse durchgeführt werden. Für
diese bestimmte Wahl von Verbindungsstückparametern ergibt eine Länge
von Lh = 800 um eine maximale Kopplung.
-
Die Theorie zum Bestimmen der Länge La' des adiabatischen Bereichs A'
ist im wesentlichen dieselbe wie bei dem Faser-zu-Faser-
Verbindungsstück, jedoch mit einer signifikanten Änderung. Während
die Anfangsbedingungen für das Faser-zu-Faser-Verbindungsstück durch
die Moden-Leistungsverteilung in der Eingangs-Übertragungsfaser 17
(Fig. 1) bestimmt werden, werden die Anfangsbedingungen für das
vorliegende Ausführungsbeispiel durch die Überlappung des
Quellenlichtfeldes mit den normalen Moden des Verbindungsstücks an der
Eingangsendfläche 86 bestimmt. Wenn ΨQuelle das Feld der Lichtquelle ist, dann
sind die Anfangswerte der Aufweitungsparameter gegeben durch
-
Unter Verwendung dieser Bedingungen kann die Gleichung (5) für einen
gekoppelten lokalen Modus auf dieselbe Weise integriert werden, wie
es oben erörtert ist, um die optimale Länge La' zu erhalten.
-
Das Ausgangssignal des Verbindungsstücks, wie es durch eine Leistung
in den Grundmodus der Ausgangsfaser gemessen wird, ist wieder einmal
eine sinusförmige Funktion der Länge La', wie es in Fig. 10 gezeigt
ist. In dieser Figur würde eine Transmission von 1,0 anzeigen, daß
die gesamte Leistung, die in beiden Eingangsmoden abgegeben wird, in
den Grundmodus an dem Ausgang gekoppelt worden ist. Die aktuelle
maximale Transmission beträgt etwa 0,96, was einen 76%-igen Anstieg
der Leistung gegenüber dem adiabatischen Fall zeigt. Eine größere
Anzahl von Moden, die sich an dem Eingang des Verbindungsstücks
ausbreiten, erlaubt sogar größere Verstärkungen.
-
Wie es bei vielen optischen Faservorrichtungen richtig ist, ist die
Theorie zum Voraussagen des Verhaltens solcher Vorrichtungen
wohldefiniert, aber die aktuellen Vorrichtungen arbeiten nicht genauso wie
es vorausgesagt ist. Eine gewisses Maß an empirischer Einstellungen
sollte an jeder gegebenen Vorrichtung vorgenommen werden, nachdem der
theoretische Aufbau bestimmt ist. Beispielsweise könnte die Länge
des adiabatischen Bereichs jedes der oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele etwas länger als die berechnete Länge sein. Kleine Dicken
können durch Fräsen und Polieren entfernt werden, und die Vorrichtung
kann durch Ausbreiten von Licht dadurch getestet werden. Wenn es
scheint, daß die Vorrichtung bei einer der maximalen
Transmissionsspitzen der Kurve von entweder der Fig. 5 oder Fig. 10 arbeitet, muß
beispielsweise keine weitere Verarbeitung durchgeführt werden. Da
die prozentuale Transmission nebeneinanderliegender Maxima im
wesentlichen identisch ist, ist es unwesentlich, welches der Maxima für die
Länge Lh oder Lh' gewählt wird.
-
Die folgenden Abänderungen können an dem vorliegenden Modenfeld-
Modifizierer durchgeführt werden, um eine größere Srahlaufweitung
oder eine stärkere Modenkopplung zu ergeben. Bei einer Abänderung
hat der Modenfeld-Modifizierer ein komplexeres Brechungsindexprofil,
wie beispielsweise jenes, das in Fig. 11 dargestellt ist. Die
Veröffentlichung von W.J. Stewart et al., "Design Limitation on Tapers and
Couplers in Single-Mode Fibers", Proc. IOPOC, 1985, Seiten 559-562
(Fig. 4 und 5) lehrt, daß solche Indexstrukturen größere
nichtadiabatische Effekte haben, als die Strukturen, die oben in Verbindung mit
Fig. 4 erörtert sind. Das heißt, daß der maximale adiabatische
Neigungswinkel in den W-Typ-Indexprofilen des Typs, der durch Fig. 11
dargestellt ist, kleiner ist. Bei den hierin erörterten Anwendungen,
insbesondere bei der Anwendung des Quellen-Faser-Verbindungsstücks,
ist eine starke Modenkopplung gewünscht. Es kann praktische
(Herstellungs-) Beschränkungen diesbezüglich geben, wie groß ein
Neigungswinkel gemacht werden kann, und so könnte eine Indexstruktur,
die stärkere nichtadiabatische Effekte für eine vorgegebene
Verjüngung zeigt, gewünscht werden.
-
Fig. 11 stellt auch die Tatsache dar, daß das Brechungsindexprofil
nicht vom Stufentyp sein muß. Entweder durch den Aufbau oder als ein
Ergebnis des Herstellungsprozesses kann ein Teil oder die Gesamtheit
des Profils abgerundet sein, wie es durch eine Kurve 90 dargestellt
ist.
-
Eine weitere Abänderung, die in Fig. 12 dargestellt ist, ist in der
zuvor genannten EP-A-299 603 offenbart, die hierin durch Bezugnahme
enthalten ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Elemente, die zu
jenen der Fig. 2 gleich sind, durch Bezugszeichen mit Strich
dargestellt. Eine Anschlußfaser 48' erstreckt sich von einer Endfläche
50' des Modenfeld-Modifizierers 40'. Der Brechungsindex eines
Bereichs 91 ist vorzugsweise derselbe wie jener des Fasermantels 44'
und ist größer als jener eines Bereichs 46'. Ein Mantel 44' und eine
Schicht 91 bilden daher die erste Mantelschicht und ein Bereich 46'
bildet die zweite Mantelschicht. Zum Herstellen der Vorrichtung der
Fig. 12 wird eine Faser 48' in eine Öffnung 92 in einem Rohr mit
konzentrischen Bereichen 91 und 96' eingefügt. Das Rohr wird
symmetrisch erhitzt, um es einheitlich über der Faser 48' zu schieben.
Die Kombination der Faser und des Rohrs wird dann verjüngt, wie es
oben in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben ist, und das Ende mit
kleinem Durchmesser wird geteilt, um einen Modenfeld-Modifizierer 40'
auszubilden. Wie es in der EP-A-299 603 gelehrt wird, wird die
Strahlaufweitung erhöht, da der Durchmesser der ersten Mantelschicht
des Modenfeld-Modifizierers effektiv größer als der Manteldurchmesser
der Transmissionsleitungsfaser ist, die mit dem Modenfeld-
Modifizierer verbunden ist.
-
Statt eine Anschlußfaser zu haben, die sich von seiner Endfläche
erstreckt, kann der Modenfeld-Modifizierer mit einem axialen Loch
versehen sein, in das das Ende einer Transmissionsleitungsfaser
eingefügt werden kann. Ein Verfahren zum Ausbilden des Faser-
Positionierlochs ist in den Fig. 13 und 14 dargestellt, in denen auch
das vorteilhafte Merkmale der Fig. 9 enthalten ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel, das in der EP-A-299 603 offenbart ist, umfaßt der
Modenfeld-Modifizierer 99 einen Kern 93 und eine zweite Mantelschicht
94 mit optischen Kennlinien, die beispielsweise ähnlich zu dem Kern
42 und dem zweiten Mantel 46 der Fig. 2 sind. Die erste
Mantelschicht umfaßt konzentrische Schichten 95 und 96, wobei der
Brechungsindex der Schicht 96 gleich oder kleiner als jener der Schicht
95 ist. Die Zusammensetzungen der Schichten 95 und 96 unterscheiden
sich, wobei das Glas der Schicht 95 in einem gegebenen Lösungsmittel
lösbarer ist als jenes der Schicht 96. Der Mantel 97 muß gegenüber
einer Auflösung in dem gegebenen Lösungsmittel resistent sein. Wenn
ein Ende 97 des Modifizierers 99 in das gegebene Lösungsmittel
eingetaucht wird, wird die Schicht 95 schneller geätzt, so daß ein Loch 98
der Fig. 14 ausgebildet wird.
-
Es ist bekannt, daß "Spalt"-Vorrichtungen, wie beispielsweise
Polarisierer, Faraday-Isolatoren und Strahlteiler, in den Spalt zwischen
zwei Strahlaufweitung-Vorrichtungen eingesetzt werden können. Für
größere Strahlaufweitungen kann ein größerer Spalt für ein
vorgegebenes Verlustbudget toleriert werden, weil der Strahl besser gesammelt
wird. Eine solche Spaltvorrichtung könnte zwischen den zwei
adiabatischen Bereichen A der Fig. 2 plaziert werden. Kleine Spalte
zwischen Modenfeld-Modifizierern in einem Faser-zu-Faser-
Verbindungsstück können im wesentliche ignoriert werden. Jedoch muß
die Berechnung der Länge des adiabatischen Bereichs die Länge
größerer Spalte in Betracht ziehen.
-
Fig. 15 zeigt ein seriell angeschlossenes Faser-zu-Faser-
Verbindungsstücks des abgeänderten Typs des nach oben verjüngten
Modenfeld-Durchmessers. Zwei Verbindungsstückhälften oder Modenfeld-
Modifizierer 112 und 114 sind aneinander in axialer Ausrichtung durch
eine Hülse 116 gesichert. Lichtwellenleiter 117 und 119 zur
optischen Nachrichtenübertragung, die miteinander zu verbinden sind,
werden mit den Anschlußfasern verschmolzen oder mechanisch verbunden,
die sich von den Modenfeld-Modifizierern erstrecken. Ein optisches
Signal, das sich in der Faser 117 ausbreitet, wird zu dem Kern des
Eingangs-Modenfeld-Modifizierers 112 gekoppelt. Wenn sich dieses
Signal in Richtung zu dem Ende mit großem Durchmesser des
Modifizierers 112 ausbreitet, weitet sich der Modenfeld-Durchmesser auf, wobei
der aufgeweitete Strahl in das Ende mit großem Durchmesser des
Modenfeld-Modifizierers 114 koppelt. Wenn sich das Signal durch den
Ausgangs-Modenfeld-Modifizierer 114 ausbreitet, verengt sich das
Modenfeld, wenn die Energie die nach unten gerichtete Verjüngung jenes
Modifizierers durchquert.
-
Das nach oben verjüngte Faser-zu-Faser-Verbindungsstück der
vorliegenden Erfindung ist in größerem Detail in Fig. 16 gezeigt, und sein
Brechungsindexprofil ist in Fig. 17 gezeigt. Der Modenfeld-
Modifizierer 112 umfaßt einen Kern 120 mit einem Brechungsindex n&sub1;,
der von einer Mantelschicht 121 mit einem Brechungsindex n&sub2; umgeben
ist, wobei n&sub1; > n&sub2;. Das Ende des Kerns 120 mit kleinem Durchmesser
und des Mantels 121 bilden eine Lichtwellenleiter-Anschlußfaser, die
zur Verbindung zu dem Leiter 117 zur Nachrichtenübertragung verfügbar
ist. Der Modenfeld-Modifizierer 114 ist ähnlich dazu aus einem Kern
125 und einer Mantelschicht 126 ausgebildet, deren Ende mit kleinem
Durchmesser eine Anschlußfaser bildet, die zur Verbindung zu der
Faser 119 zur Nachrichtenübertragung verfügbar ist. Die
Brechungsindizes des Kerns 125 und des Mantels 126 sind vorzugsweise n&sub1; bzw. n&sub2;.
Jeder der Modenfeld-Modifizierer 112 und 114 ist derart dargestellt,
daß er einen Bereich A' mit großem Durchmesser und einen Bereich S
mit kleinem Durchmesser umfaßt, die durch einen verjüngten Bereich N'
verbunden sind. Die zwei Beriche A' sind adiabatische Bereiche, in
denen im wesentlichen keine Modenkopplung auftritt. Bei dem in Fig.
16 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Durchmesser der Bereiche A'
entweder im wesentlichen konstant, oder sie können ein unwesentliches
Maß an Verjüngung enthalten, und zwar in Abhängigkeit von der
Herstellungstechnik. Für jede dieser Veränderungen des dargestellten
Ausführungsbeispiels ist das Maß an Verjüngung, wenn sie überhaupt
vorhanden ist, unzureichend, um mehr als eine unwichtige Menge einer
Strahlaufweitung zu erzeugen. Bei einem alternativen
Ausführungsbeispiel wäre das Maß an adiabatischer Verjüngung in dem Bereich A'
ausreichend, um eine meßbare Menge einer Strahlaufweitung zu erzeugen,
die ein Zusatz zu der Strahlaufweitung ist, die durch den
nichtadiabatischen Bereich N' verursacht wird. Die Endfläche eines der
Bereiche A' ist neben der entsprechenden Endfläche des anderen Bereichs A'
positioniert, um eine Schnittstelle 129 zu bilden. Die axialen
Längen der Bereiche S sind unkritisch, aber die Längen dieser Bereiche
sollten ausreichend lang sein, um eine Verbindung daran herstellen zu
können. Wie es oben in Verbingung mit nach unten verjüngten
Verbindungsstücken beschrieben ist, ist die kombinierte Länge La' beider
Bereiche A' kritisch. Obwohl die Längen der adiabatischen Bereiche
A' der Vorrichtungen 112 und 114 vorzugsweise 1/2 La' sind, könnten
jene Längen ungleich sein.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Verbindungsstück der Fig.
16 mit nichtadiabatisch verjüngten Bereichen N' ausgebildet, d.h. sie
haben Neigungswinkel, die durch die Beziehung definiert sind, die
durch Gleichung (3) ausgedrückt wird, wobei ein wesentliches Maß an
Modenkopplung darin auftritt. Daher ist die Länge Lh' des verjüngten
Bereichs viel kürzer als jene einer adiabatischen Verjüngung, die
dieselbe Strahlaufweitung erzeugen kann.
-
Ein niedriger Einfügungsverlust kann in einem nichtadiabatisch nach
oben verjüngten Verbindungsstück auf gleiche Weise erreicht werden,
wie auf jene, die oben in Verbindung mit nichtadiabatisch nach unten
verjüngten Verbindungsstücken beschrieben ist. Die Länge La' kann
berechnet werden, nachdem die Werte n&sub1;, n&sub2;, D&sub1; 'D&sub2;' und die Länge Lh'
und Form des Bereichs N' bekannt sind.
-
Der Aufbau eines nichtadiabatisch nach oben verjüngten Faser-zu-
Faser-Verbindungsstücks ist durch das folgende theoretische Beispiel
dargestellt. Das Verbindungsstück soll verwendet werden, um zwei der
zuvor angegebenen Einzelmode-Fasern vom SM-Typ zu verbinden, wobei
der Kernradius 4,0 um ist, n&sub1; 1,451278 ist, und A 0,3% ist. Die
Betriebswellenlänge ist wieder 1300 nm. Der nichtadiabatische
Verjüngungsbereich N' soll eine Kosinusform und eine Länge von 500 um
haben. Das End-Zeichen- bzw- Verjüngungsverhältnis D&sub2;'/D&sub1;' soll 0,15
sein.
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Die Länge des adiabatischen Bereichs La', die für eine optimale
Leistungsfähigkeit benötigt wird, wird in Übereinstimmung mit dem oben
beschriebenen Verfahren bestimmt. Unter Verwendung der obigen
Parameter wird die Gleichung (5) für gekoppelte Moden entlang dem
Verbindungsstück für verschiedene Längen La' numerisch integriert, bis eine
Länge gefunden wird, für die die Transmission durch die Vorrichtung
und in den Grundmodus der Ausgangsfaser zum Betrieb bei 1300 nm
optimiert ist. Dies resultiert in der Kurve der Fig. 18, wobei der
Ausgang des Verbindungsstücks, wie er durch die Leistung des
Grundmodus gemessen wird, der sich in der Ausgangsfaser 119 ausbreitet, sich
dramatisch mit Änderungen der Länge La' der adiabatischen Bereiche
verändert. Für den hier gezeigten Modell-Fall gibt es eine Länge La'
= 10,83 mm, für die die Übertragung etwa 97% beträgt.
-
Jede der Vorrichtungen 112 und 114 der Fig. 16 kann durch Ausbilden
einer Vorform eines Durchmessers D&sub1;' hergestellt werden. Das
Kern/Mantel-Durchmesserverhältnis ist das gleiche, wie das, das für
die Einzelmode-Anschlußfaser der Bereiche S erforderlich ist. Ein
Ende der Vorform wird erhitzt und gezogen, um eine Faser des
Durchmessers D&sub2;' (125 um) zu bilden. Die Vorform kann an einem Punkt
entlang seiner Achse derart durchtrennt werden, daß eine Länge des
Bereichs mit großem Durchmesser etwas größer als La' ist. Kleine Dicken
können durch Fräsen und Polieren entfernt werden, und die Vorrichtung
kann durch Ausbreiten von Licht dadurch getestet werden, bis es
offensichtlich ist, daß die Vorrichtung bei einer der maximalen
Transmissionsspitzen der Kurve der Fig. 18 arbeitet.
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In Fig. 19 ist eine Quellen-zu-Faser-Verbindungsstück mit einer
Verjüngung nach oben gezeigt, wobei Licht von der Quelle 140 in das Ende
mit großem Durchmesser eines nichtadiabatischen Verbindungsstücks 142
mit einer Leiter-Anschlußfaser 144 gekoppelt, an die der Leiter 146
zur Nachrichtenübertragung angeschlossen wird. Ein Gehäuse 148
enthält einen Hohlraum zum Positionieren einer Quelle 140 in richtiger
Ausrichtung mit der angrenzenden Endfläche 150 des Modifizierers 142.
Ein Modenfeld-Modifizierer 142 ist im Aufbau ähnlich dem Modifizierer
114 der Fig. 16. Licht von der Quelle 140 trifft auf die Endfläche
150 und regt alle der lokalen Ausbreitungsmoden an. Weil das
nichtadiabatisch verjüngte Verbindungsstück einen Zwischenmodus-
Leistungstransfer verwendet, kann die Leistung von mehreren Moden in
einen einzelnen Ausgangsmodus gekoppelt werden. Es ist daher
möglich, eine nichtadiabatische nach oben verjüngte Vorrichtung
aufzubauen, die das meiste der Leistung von allen Moden, die sich in dem
adiabatischen Bereich mit großem Durchmesser ausbreiten, in den
Grundmodus koppelt, der sich in der Einzelmode-Anschlußfaser 144
ausbreitet. Das Maß an Zwischenmodus-Leistungskopplung in dieser
Vorrichtung kann durch das Verwenden von Indexprofil-Abänderungen, wie
beispielsweise das in Fig. 11 dargestellte W-Profil erhöht werden.