DE69225037T2

DE69225037T2 - Verfahren zur Begrenzung der Kupplungsverluste zwischen einer optischen Monomodefaser und einem optischen System mit einem niedrigeren Modenfleckdurchmesser oder zwischen zwei Monomodefasern mit gleichem Modenfleckdurchmesser

Info

Publication number: DE69225037T2
Application number: DE69225037T
Authority: DE
Inventors: Philippe Darbon; Emmanuel Grard
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 1991-09-16
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2012-09-15
Also published as: EP0534819A1; CA2078272A1; FR2681438A1; EP0534819B1; CA2078272C; FR2681438B1; DE69225037D1; US5337380A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung der Koppelverluste zwischen einer optischen Monomodefaser mit einem Modenfleckdurchmesser Wo und einem optischen System mit einem Modenfleckdurchmesser W'o, der kleiner ist als Wo, oder zwischen zwei optischen Monomodefasern mit dem Modenfleckdurchmesser Wo.
Nachstehend seien noch einmal die Definitionen für den Modenfleckradius Wo einer optischen Faser genannt:
mit: V = 2πa/λ [2nΔn] (normalisierte Frequenz)
a = Radius des Kerns
Δn = nKern - nMantel
Typischerweise weist eine optische Monomodefaser einen Kerndurchmesser von etwa 8 um bis 10 um und einen Mantelaußendurchmesser von etwa 125 um auf. Die Indexdifferenz Δn kann zwischen 5 x 10&supmin;³ und 50 x 10&supmin;³ betragen; der übliche Wert liegt bei 5 x 10&supmin;³ bis 16 x 10&supmin;³.
Es ist äußerst schwierig, eine solche Faser zu koppeln, insbesondere mit einer Laserdiode. Um einen optimalen Kopplungsgrad zu erzielen, ist es erforderlich, zwei Bedingungen zu vereinen:
- die Verwirklichung am Ende der Faser eines Diopters, das einen äußerst geringen Krümmungsradius aufweist und folglich sehr schwer zu erhalten ist,
- die Anordnung dieses Diopters praktisch in Kontakt mit der Diode, was mechanisch unmöglich ist.
Gegenwärtig übersteigt dieser Koppiungsgrad nicht 45% bis 50%.
Aufgabe ist es, Mittel zu schaffen, die trotz Beibehaltung eines Abstands zwischen der Diode und der Faser, der mechanisch annehmbar ist, und trotz Orientierungstoleranzen der Faser gegenüber der Diode, die realisierbar sind, einen besseren Kopplungsgrad gewährleisten.
Das Dokument JP-A-58 158 620 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kopplung einer optischen Monomodefaser mit einem Laser: Die optische Monomodefaser ist an eine kurze Multimodefaser geschweißt, deren eines Ende, das dem Laser gegenüberliegt, sphärisch gemacht ist, so daß es die Funktion einer Linse ausübt. Die Fasern werden mittels einer durch ein Elektrodenpaar erzeugten elektrischen Entladung aneinandergeschweißt. Anschließend werden die Fasern in entgegengesetzte Richtungen gezogen, um in Höhe der Zone, in der die Fasern miteinander verschweißt sind, einen konischen Abschnitt zu schaffen.
In dem Dokument EP-A-0 155 379 handelt es sich darum, eine optische Monomodefaser mittels einer Gradientenfaser mit einem Halbleiterlaser zu koppeln, und dies durch Spleißung ohne Schweißen.
In dem Dokument EP-A-0 340 042 ist ein Verfahren zur Kopplung einer optischen Monomodefaser mit geringer numerischer Apertur mit einem Halbleiterlaser mittels eines Abschnitts einer optischen Monomodefaser mit höherer numerischer Apertur beschrieben.
Das Dokument US-3 818 249 beschreibt ein Verfahren zur Kopplung zweier Multimode-Gradientenfasern, bei dem man eine direkte Kopplung, das heißt ohne ein Zwischenelement, durch eine Wärmebehandlung in Höhe der Kopplungszone durchführt, wobei diese Wärmebehandlung eine gegenseitige Durchdringung der Materialien bewirkt, welche die Kerne und die Mäntel dieser beiden Fasern bilden.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform hat die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Begrenzung der Koppelverluste zwischen einer optischen Monomodefaser mit einem Modenfleckdurchmesser Wo, die einen Kern und einen optischen Mantel umfaßt, und dem aus einem optischen System stammenden Strahl mit einem Modenfleckdurchmesser W'o, der kleiner ist als Wo, zum Gegenstand, das darin besteht, durch eine Spleißung am Ende der Monomodefaser einen Abschnitt einer Multimodefaser anzuschließen, der ebenfalls einen Kern und einen optischen Mantel umfaßt, eine Länge zwischen 0,1 und 5 mm und eine Indexdifferenz An zwischen 5 x 10&supmin;³ und 50 x 10&supmin;³ aufweist und dessen an das optische System angrenzende Endfläche die Form einer konvexen sphärischen Oberfläche besitzt, wobei dieser Abschnitt den gleichen Mantelaußendurchmesser wie die Monomodefaser aufweist, wobei die von dem mit der konvexen Endfläche versehenen Multimodefaserabschnitt und der optischen Monomodefaser gebildete Anordnung einen Modenfleckdurchmesser aufweist, der, am Ausgang des optischen Systems gemessen, im wesentlichen gleich W'o ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spleißung für den Anschluß des Multimodeabschnitts an die Monomodefaser darin besteht, eine Erwärmung durchzuführen, die so vorgenommen wird, daß in Höhe der Verbindungszone der Kerne durch gegenseitige radiale und longitudinale Durchdringung der in den Kernen enthaltenen Dotierungselemente ein adiabatischer Übergangskegel gebildet wird, der eine gegenseitige Anpassung der jeweiligen Modenfleckdurchmesser der Monomodefaser und des Abschnitts gewährleistet.
Es ist äußerst vorteilhaft für die Montage, daß der Multimodefaserabschnitt den gleichen Mantelaußendurchmesser besitzt wie die Monomodefaser.
Die zwischen dem Multimodefaserabschnitt und der Monomodefaser hergestellte geschweißte Spleißstelle bewirkt praktisch nur einen Verlust von weniger als 0,5 dB. Dies läßt sich dadurch erklären, daß unter der Einwirkung der Wärme in Höhe der Spleißstelle ein Phänomen der radialen und longitudinalen Durchdringung der in den Kernen der zwei betreffenden Fasern enthaltenen Dotierungselemente entsteht. Dies hat in völlig überraschender Weise eine lokale Veränderung und eine gegenseitige Anpassung der beiden entsprechenden Modenfleckdurchmesser zur Folge.
Durch den Einsatz des mit der konvexen Endfläche versehenen Multimodefaserabschnitts läßt sich der Strahl der Laserdiode leichter mit der Monomodefaser koppeln. Der Laser-Faser-Kopplungsabstand ist deutlich größer als bei der bisherigen Anordnung ; er kann das Zwei- oder Dreifache betragen; der Kopplungsgrad, der sich hieraus ergibt, kann so von 45% auf 70% erhöht werden. Die Winkeltoleranz stellt keinen schwer zu beherrschenden Parameter dar.
Um die Kopplung noch weiter zu optimieren und die Tatsache zu berücksichtigen, daß der Querschnitt des aus der Diode austretenden Laserstrahls leicht elliptisch ist, kann es vorteilhaft sein, den Faserabschnitt mit einem el liptischen Kern in Höhe seines neben der Laserdiode befindlichen Endes zu wählen. Ein solches Merkmal kann durch eine Wärmebehandlung erhalten werden, die gemäß vorgegebenen Erzeugenden des Faserabschnitts örtlich begrenzt wird.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform hat die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Begrenzung der Koppelverluste zwischen zwei Monomodefasern mit einem Modenfleckdurchmesser Wo, die mittels eines Verbinders miteinander verbunden sind, zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Erwärmung an das Ende jeder Monomodefaser einen Abschnitt einer Multimodefaser anschweißt, der ebenfalls einen Kern und einen optischen Mantel umfaßt, wobei jeder dieser Abschnitte eine Länge zwischen 0,1 und 5 mm besitzt, den gleichen Mantelaußendurchmesser wie die Monomodefasern und eine Indexdifferenz Δn zwischen 5 x 10&supmin;³ und 50 x 10&supmin;³ aufweist, wobei die Multimodefaserabschnitte einen Modenfleckdurchmesser W"o aufweisen, der größer ist als Wo, wobei die Erwärmung so vorgenommen wird, daß in Höhe der Verbindungsstellen der Kerne durch gegenseitige radiale und longitudinale Durchdringung der in den Kernen enthaltenen Dotierungselemente ein adiabatischer Übergangskegel gebildet wird, der eine gegenseitige Anpassung der jeweiligen Modenfleckdurchmesser und Kerndurchmesser jeder der Monomodefasern und jedes der Abschnitte gewährleistet.
Die Länge der Multimodefaserabschnitte ist ausreichend gering, damit praktisch die monomode Fortpflanzung im Innern der beiden Fasern erhalten bleibt.
Die Durchführung eines solchen Verfahrens ermöglicht eine beträchtliche Erleichterung der Ausrichtung der zwei Monomodefasern in dem Verbinder; die Ausrichtungstoleranzen sind viel weniger strikt als bei einem herkömmlichen Verbinder, und die Verluste der Verbindung sind insgesamt verringert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Verlauf der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich, die zur Erläuterung dienen sollen, jedoch in keiner Weise beschrgnkend sind. In der beigefügten Zeichnung:
- ist Figur 1 ein stark vereinfachtes Schema einer Kopplung zwischen einer Laserdiode und einer Monomodefaser, wie sie sich aus dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren ergibt,
- zeigt Figur 2A im schematischen Teilschnitt die Monomodefaser und den Multimodefaserabschnitt von Figur 1 vor Herstellung der geschweißten Spleißstelle,
- entspricht Figur 2B Figur 2A mit hergestellter geschweißter Spleißstelle,
- zeigt Figur 3 schematisch einen Laserstrahl mit elliptischem Querschnitt,
- ist Figur 4 ein vereinfachtes Schema einer Kopplung zwischen zwei optischen Monomodefasern mittels eines Verbinders, wie sie sich aus dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren ergibt.
In Figur 1 ist eine Laserdiode 1 dargestellt, deren Strahl mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad mit einer Monomodefaser 2 gekoppelt werden soll. Die Nutzwellenlänge liegt zum Beispiel im Bereich von 1,3 um oder 1,5 um.
Der Modenfleckdurchmesser W'o der Laserdiode 1 liegt im Mikrometerbereich.
Die Monomodefaser 2 besitzt folgende Merkmale:
- Kerndurchmesser : 8 um
- Modenfleckdurchmesser : 9,5 um
- Mantelaußendurchmesser : 125 um
- Δn : 5 x 10&supmin;³
Gemäß der Erfindung wird an das Ende der Faser 2 ein Abschnitt einer Multimodefaser 4 geschweißt, welche die folgenden Merkmale aufweist:
- Kerndurchmesser : 50 um
- Länge : 0,15 mm
- Mantelaußendurchmesser : 125 um
- Kernindex : 1,4638
- Mantelindex : 1,4468
- Δn : 17 x 10&supmin;³
Die geschweißte Spleißstelle ist mit dem Bezugszeichen 3 versehen worden. Man findet in den Figuren 2A und 2B, vor und nach der Schweißung, die Faser 2 mit ihrem Mantel 6 und ihrem Kern 5 und den Faserabschnitt 4 mit seinem Mantel 7 und seinem Kern 8. Bei der Herstellung der Spleißstelle 3 entsteht in Höhe der Zone 10 eine adiabatische Durchdrin gung der Dotierungsstoffe der Kerne 5 und 8.
Die Erwärmung bewirkt ein Anwachsen der Größe des Kernes 5 in Form eines adiabatischen Kegels, dessen Abmessungen derart sind, daß die Faser 2 ihren monomoden Charakter beibehält. Desgleichen gestattet die für den Abschnitt 4 gewählte Länge ebenfalls, daß dieser monomode Charakter erhalten bleibt.
Die Endfläche 11 des Faserabschnitts 4 besitzt die Form einer konvexen sphärischen Oberfläche mit einem Krümmungsradius von mindestens 30 um. Eine solche Oberfläche kann durch verschiedene bekannte Verfahren wie eine Laserbearbeitung, eine mechanische Bearbeitung oder einen chemischen Angriff hergestellt werden. Der Modenfleckdurchmesser des mit der konvexen sphärischen Endfläche versehenen Faserabschnitts 4 entspricht dann, wenn er am Ausgang der Laserdiode 1 gemessen wird, dem dieser Laserdiode.
Der zwischen der Diode 1 und der Fläche 11 beibehaltene Abstand liegt in der Größenordnung von 20 um; die Toleranzen in x und y in einer Ebene, die senkrecht zur optischen Achse der Anordnung ist, liegen im Mikrometerbereich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Erhöhung der Kopplung zwischen der Diode 1 und der Faser 2 von 45% auf 70% mit Einstellungsbedingungen, die keine nennenswerten mechanischen Probleme mit sich bringen.
In Figur 3 wird die Anordnung von Figur 1 noch weiter optimiert, indem berücksichtigt wird, daß der aus der Diode 1 austretende Strahl 20 einen elliptischen Querschnitt 21 (mit den Abmessungen L und l) besitzt, mit einem in gleicher Weise veränderlichen Modenfleckdurchmesser W'o.
Während das auf der Seite der Faser 2 befindliche Ende 3 des Faserabschnitts wie in dem Beispiel von Figur 1 eine zylindrische Symmetrie um die optische Achse des Gesamtsystems aufweist, besitzt das auf der Seite der Diode 1 gelegene Ende einen Querschnitt mit einem außen kreisförmigen Mantel von 125 um Durchmesser und einem elliptischen Kern, dessen Querschnitt dem Querschnitt 21 des Strahls 20 entspricht.
In Figur 4 handelt es sich um die Verbindung zweier Monomodefasern 51 und 52 mit einem Modenfleckdurchmesser Wo, die der Faser 2 der vorhergehenden Beispiele entsprechen, mittels eines Verbinders, der durch den Kasten 50 schematisch dargestellt ist. Die Ausrichtung der beiden Fasern ist aufgrund der sehr geringen Abmessung ihres Kernes sehr kritisch. Die Gründe für Verluste sind im wesentlichen die axiale Fehlausrichtung, die Neigung und der Abstand.
Gemäß der Erfindung werden in 53 und 54 zwei Faserabschnitte 55 und 56 angeschweißt, die dem Abschnitt 4 von Beispiel 1 entsprechen, jedoch ohne Endfläche, die zu einer konvexen sphärischen Oberfläche gearbeitet ist. Aufgrund der einem adiabatischen Kegel entsprechenden Form der Kerne in Höhe der Spleißstellen und der geringen Länge der Abschnitte 55 und 56, gibt es keine modale Fehlanpassung in Höhe des Verbinders 50. Die von den Schweißstellen erzeugten Verluste betragen nur etwa 0,2 dB. Dagegen ist durch den höheren Wert des Modenfleckdurchmessers W"o der beiden Faserabschnitte 55 und 56 die Ausrichtung viel einfacher und der Kopplungsgrad stark verbessert.

Claims

1. Verfahren zur Begrenzung der Koppelverluste zwischen einer optischen Monomodefaser (2) mit einem Modenfleckdurchmesser Wo, die einen Kern (5) und einen optischen Mantel (6) umfaßt, und dem aus einem optischen System (1) stammenden Strahl mit einem Modenfleckdurchmesser W'o, der kleiner ist als Wo, das darin besteht, durch eine Spleißung am Ende der Monomodefaser (2) einen Abschnitt (4) einer Multimodefaser anzuschließen, der ebenfalls einen Kern (8) und einen optischen Mantel (7) umfaßt, eine Länge zwischen 0,1 und 5 mm und eine Indexdifferenz An zwischen 5 x 10&supmin;³ und 50 x 10&supmin;³ aufweist und dessen an das optische System angrenzende Endfläche (11) die Form einer konvexen sphärischen Oberfläche besitzt, wobei dieser Abschnitt (4) den gleichen Mantelaußendurchmesser wie die Monomodefaser aufweist, wobei die von dem mit der konvexen Endfläche versehenen Multimodefaserabschnitt (4) und der optischen Monomodefaser (2) gebildete Anordnung einen Modenfleckdurchmesser aufweist, der, am Ausgang des optischen Systems gemessen, im wesentlichen gleich W'o ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spleißung für den Anschluß des Multimodeabschnitts (4) an die Monomodefaser (2) darin besteht, eine Erwärmung durchzuführen, die so vorgenommen wird, daß in Höhe der Verbindungszone (10) der Kerne durch gegenseitige radiale und longitudinale Durchdringung der in den Kernen enthaltenen Dotierungselemente ein adiabatischer Übergangskegel gebildet wird, der eine gegenseitige Anpassung der jeweiligen Modenfleckdurchmesser der Monomodefaser (2) und des Abschnitts (4) gewährleistet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des sphärischen Diopters mindestens 30 um beträgt.

3. Verfahren zur Begrenzung der Koppelverluste zwischen zwei Monomodefasern (51, 52) mit einem Modenfleckdurchmesser Wo, die mittels eines Verbinders (50) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Erwärmung an das Ende jeder Monomodefaser (51, 52) einen Abschnitt (55, 56) einer Multimodefaser anschweißt, der ebenfalls einen Kern und einen optischen Mantel umfaßt, wobei jeder dieser Abschnitte (55, 56) eine Länge zwischen 0,1 und 5 mm besitzt, den gleichen Mantelaußendurchmesser wie die Monomodefasern und eine Indexdifferenz An zwischen 5 x 10&supmin;³ und 50 x 10&supmin;³ aufweist, wobei die Multimodefaserabschnitte (55, 56) einen Modenfleckdurchmesser W"o aufweisen, der größer ist als Wo, wobei die Erwärmung so vorgenommen wird, daß in Höhe der Verbindungsstellen (53, 54) der Kerne durch gegenseitige radiale und longitudinale Durchdringung der in den Kernen enthaltenen Dotierungselemente ein adiabatischer Übergangskegel gebildet wird, der eine gegenseitige Anpassung der jeweiligen Modenfleckdurchmesser und Kerndurchmesser jeder der Monomodefasern (51, 52) und jedes der Abschnitte (55, 56) gewährleistet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenfleckdurchmesser W"o im wesentlichen dem Zweioder Dreifachen des Modenfleckdurchmessers Wo entspricht.