NL8403931A

NL8403931A - Monomode optische transmissievezel met een taps eindgedeelte voorzien van een lens en werkwijze voor het vervaardigen daarvan.

Info

Publication number: NL8403931A
Application number: NL8403931A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1984-12-24
Filing date: 1984-12-24
Publication date: 1986-07-16
Also published as: JPS61156103A; US4824195A; EP0191197A1

Description

* 0 i » _ D _____ ESN. 11.252 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven "Moncmode optische transmissievezel met een taps eindgedeelte voorzien van een lens en werkwijze voor het vervaardigen daarvan”

De uitvinding heeft betrekking op een monomode optische transmissievezel waarvan het eindgedeelte een tapse kern en mantel heeft, op welk eindgedeelte een lens in de vorm van een transparant materiaal met een bolvcrmig oppervlak is aangebracht. De uitvinding 5 heeft ook betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke transmissievezel.

Een dergelijke transmissievezel en werkwijze zijn bekend uit het artikel "Efficient coupling of laserdicdes to tapered monomode fibres with high-index end" in "Electronics Letters”, vol. 19, no. 6, 10 march 1983, p. 205-207. Zoals in dit artikel aangegeven is , vertonen mononiode transmissievezels met een tapse kern en mantel ten opzichte van transmissievezels net een recht en vlak eindgedeelte aanzienlijk betere eigenschappen voor wat betreft inkappelrendement, toelaatbare verplaatsingen van de vezel ten opzichte van een stralingsbron in de 15 vorm van bijvoorbeeld een diodelaser en de, tengevolge van reflekties binnen de vezel optredende, terugkoppeling van de straling naar de stralingsbron.

Onder het inkcppelrendement wordt verstaan het quotiënt van de door de transmissievezel opgevangen stralingsintensiteit van de 20 bron en de totale stralingsintensiteit van deze bron.

Door het terugkqppeleffekt kan een gedeelte van de door een diodelaser uitgezonden straling weer de diodelaser binnentreden. Deze terugkoppeling kan een ongewenste modulatie van de door de diodelaser uitgezonden stralingsintensiteit veroorzaken.

25 Het inkoppelrendement kan aanzienlijk verder worden verhoogd door het tapse eindgedeelte van de monomode transmissievezel van een lens te voorzien. Zoals in het hierboven genoemde artikel beschreven is kan deze lens worden aangebracht door het tapse eindgedeelte van de vezel onder te dompelen in een vloeibaar transparant materiaal, het 30 tapse eindgedeelte uit het vloeibare materiaal te trekken en het aan het vezeleinde hechtende materiaal te laten verstarren tot een vaste lensvorm. Daarbij is gesteld dat de brekingsindex van het lensmateriaal aanzienlijk hoger dan die van het kernmateriaal moet zijn, omdat alleen 84 0 3 9 3 1 .................~ J /? PHN.11.252 2 onder deze voorwaarde de kombinatie van vezeleinde en lens een voldoend hoge numerieke apertuur zou verkrijgen. Vanwege het grote verschil tussen de brekingsindex van de lens en die van de vezelkem kunnen echter reflekties aan de lens-vezelovergang optreden waardoor weer terug-5 koppeling naar de stxalingsbron kan ontstaan en het inkoppelrendement kan worden verlaagd.

De onderhavige uitvinding verschaft een monomode transmissievezel met tapse kern en mantel en voorzien van een aangesmolten lens waarbij de genoemde reflekties niet optreden, terwijl verrrassender-flO wijze toch een voldoend hoog inkoppelrendement wordt verkregen. De monomode transmissievezel volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat de lens bestaat uit een materiaal waarvan de smelttemperatuur lager is dan die van de transmissievezel-materialen en de brekingsindex vrijwel gelijk is aan die van het kernmateriaal.

. 15 Doordat de brekingsindex van het lensmateriaal ongeveer gelijk is aan die van het kernmateriaal, is de kans op terugkoppeling tengevolge van reflekties aan de lens-vezelovergang minimaal.

Opgemerkt wordt, dat het uit het Duitse octrooischrift nr. 2.625.097 op zichzelf bekend is op het eindvlak van een optische 2o transmissievezel een lens aan te brengen waarvan het materiaal een smelttemperatuur heeft die lager is dan die van de vezelmaterialen.

De in dit Duitse octrooischrift beschreven vezel is echter geen monomode vezel waarvan de kern een taps eindgedeelte heeft, maar een multimode vezel met een recht eindgedeelte van de kern. Alvorens de 25 lens wordt aangesmolten aan de vezel volgens het Duitse octrooischrift nr. 2.625.097 moet de mantel van deze vezel over een bepaalde lengte gedeeltelijk worden weggeëtst. Dit etsen is een extra processtap. Bovendien kan de ets vloeistof ook andere gedeelten van de transmissievezel aantasten.

3Q Het eindvlak van de transmissievezel volgens het Duitse octrooischrift nr. 2.625.097 waarop de lens aangebracht moet worden heeft een diameter groter dan 50 ^um. Bij gebruik van kwartsglas als vezelmateriaal en een zachtglas als lensmateriaal kan, vanwege het verschil in uitzettingscoëfficiënt van de glazen de lens loslaten van 35 de transmissievezel, vooral als het grensvlak relatief groot is. Bij de monomode transmissievezel volgens de uitvinding waarin de diameter van het grensvlak tussen 15 en 30 ^um ligt, is de kans op loslaten van de lens aanzienlijk kleiner.

8403931 EHN.11.252 3 V 5

Een voorkeursuitvoeringsvorm van de monomode transmiss ie-vezel vertoont als verder kenmerk, dat het lensmateriaal glas is.

Op het buitenoppervlak van de lens is bij voorkeur een anti-reflektielaag aangebracht.

5 Een voorkeursuitvoeringsvorm van de transmissievezel vertoont als verder kenmerk, dat de lengte van het tapse eindgedeelte van de orde van grootte van de diameter van het rechte vezelgedeelte is.

Een dergelijke transmissievezel heeft een beter inkoppelrendement dan een transmissievezel waarvan het tapse eindgedeelte aanzienlijk langer 10 is·

De lens kan aangebracht zijn op een rond uiteinde van de taps toelopende vezel. Bij voorkeur is echter de lens aangebracht op een plat eindvlak van het tapse eindgedeelte van de transmissievezel.

Een verder aspekt van de uitvinding betreft de werkwijze i5 voor het vervaardigen van de moncmode transmissievezel. Zoals in het genoemde artikel in "Electronics Letters", vol. 19, no. 6, p. 205-207 beschreven is, kan een moncmode optische transmissievezel met een taps eindgedeelte voorzien van een lens verkregen worden door een rechte transmissievezel in een boogontlading te rekken totdat hij breekt, 2fl vervolgens het tapse eindgedeelte onder te dompelen in een vloeibaar transparant materiaal, dan het tapse eindgedeelte uit het vloeibare materiaal te trekken en tenslotte het aan het vezeleinde hechtende materiaal tot een vaste lens vorm te laten verstarren.

De werkwijze volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, 25 dat het tapse eindgedeelte wordt gedompeld in een vloeibaar transparant materiaal waarvan de smelttemperatuur lager is dan die van de vezel-materialen en de brekingsindex vrijwel gelijk aan die van de vezelkern.

Bij voorkeur wordt, alvorens het tapse eindgedeelte in het vloeibare materiaal wordt gedompeld, aan dit eindgedeelte een plat 30 eindvlak gemaakt.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin figuur 1 een bekende monomode transmissievezel met een taps eindgedeelte toont, 35 figuur 2 de werkwijze volgens de uitvinding voor het aan brengen van een lens op een vezeleinde illustreert, figuur 3 een voorkeursuitvoeringsvorm van een volgens deze werkwijze verkregen transmissievezel laat zien, en 8403951 ' ?· £ PHN.11.252 4 figuur 4 illustreert hoe een transmissievezel met een taps eindgedeelte voorzien van een plat eindvlak verkregen kan werden.

De transmissievezel 1 volgens figuur 1 is opgebouwd uit een kern 2 en een mantel 3. De brekingsindex van het kernmateriaal is 5 iets verschillend van die van het mantelmateriaal, zodat het grootste gedeelte van het de vezelkem binnentredende licht, via het mechanisme van totale reflektie aan de overgangen van kern naar mantel, door de kern wordt geleid. De brekingsindex n2 van het mantelmateriaal is bijvoorbeeld 1,47 indien dit materiaal kwarts is, terwijl de brekings-10 index van het kernmateriaal bijvoorbeeld ongeveer 0.3% hoger is.

De hier beschreven transmissievezel is een monomode vezel, hetgeen betekent dat slechts straling met een bepaalde trillingsmodus zich door de vezelkem kan voortplanten.Voor een dergelijke vezel is de diameter van de kern aanzienlijk kleiner dan de diameter van de mantel. 15 Zo is bijvoorbeeld de eerste diameter ongeveer 7 micron, terwijl de tweede diameter ongeveer 125 micron is.

Het grootste gedeelte 4 van de transmissievezel is recht.

Het eindgedeelte 5 loopt echter taps toe en heeft een afgeronde top 6.

De ronde top wordt automatisch verkregen bij het rekken van een rechte 20 transmissievezel in een boogontlading totdat de rechte vezel breekt.

De vorm van het tapse gedeelte en de straal van de ronde top 6 worden daarbij bepaald door de snelheid van uitrekken. De ronde top heeft een straal van bijvoorbeeld 12,5 micron en vertoont een lenswerking.

Volgens de uitvinding wordt, ter vergroting van het inkoppel-25 rendement een lens op het eindgedeelte 5 van de vezel aangebracht, waardoor de effektieve intree-opening van de vezel vergroot wordt. Daarbij wordt er eerst voor gezorgd dat het gedeelte 5 een plat eindvlak 11 heeft, zoals aangegeven is in fig. 2., en vervolgens wordt, zoals fig. 2 verder laat zien, het eindgedeelte 5 in een vloeibaar gg of viskeus materiaal 7 gedompeld. Het materiaal 7 is bij voorkeur een glas dat in een kroes 8 gesmolten is, zoals schematisch is aangegeven met de vlam 9. Essentieel daarbij is dat de temperatuur van het vloeibare glas lager is dan de smelttemperatuur van de vezelkem- of mantel, zodat bij de onderdompeling de vezelparameters niet veranderen.

35 Dit glas kan bijvoorbeeld van het type Bk1, Bk3 of TIk1 zijn. Er moet een glas gekozen worden waarvan de brekingsindex niet wezenlijk afneemt bij het weekmaken en weer laten afkoelen.

Bij het uit de kroes trekken van het vezeleinde zal een 8403831 ζτ. ν ΡΗΝ.11.252 5 gedeelte van het materiaal 7 aan de vezel blijken hangen. Tengevolge van de oppervlaktespanning zal, bij een bepaalde viscositeit, deze hoeveelheid materiaal een bepaalde, in de figuur 3 net 10 aangegeven, druppelvorm aannemen. De afmetingen en de vorm van deze druppel kunnen s worden beïnvloed door de diepte van de onderdompeling en de temperatuur van het materiaal 7 in de kroes 8.

Nadat het vezeleinde 5 met de druppel 10 uit het materiaal 7 getrokken is, laat men de druppel afkoelen. Er wordt zodoende een lens 10 op het platte eindvlak 11 van de transmissievezel gevormd.

10 Om een dergelijk plat eindvlak te verkrijgen kan de op dè bekende manier vervaardigde vezel volgens figuur 1 op een bepaalde hoogte van het tapse gedeelte 5 warden af gesneden.

In het bovenste gedeelte van figuur 4 is, zeer schematisch, een werkwijze geïllustreerd die bij voorkeur wordt toegepast voor 15 het verkrijgen van een taps toelopende transmissievezel met een plat eindvlak. Daarbij wordt weer uitgegaan van een rechte transmissievezel die eerst over een bepaalde afstand gerekt wordt. In de zo verkregen vezel 14 wordt net een pen 15 van een rcndsnij-apparaat een kras 16 gemaakt. Dan wordt de vezel 14 verder gerekt totdat hij breekt, waar-20 kij het breukvlak een plat vlak ter plaatse van de kras is. Er worden dan twee taps toelopende vezels 4 met platte eindvlakken verkregen zoals het onderste gedeelte van figuur 4 laat zien.

Bij het rekken van de rechte transmissievezel kan aan beide einden van deze vezel getrokken worden. Het is echter gebleken 25 dat een beter resultaat verkregen wordt indien een einde van de rechte vezel onbeweegbaar vastgezet wordt en alleen aan het andere einde van de vezel wordt getrokken. Van de na het breken van de rechte vezel verkregen vezelgedeelten heeft het gedeelte dat onbeweegbaar bevestigd was een aanzienlijk korter taps eindgedeelte (bijvoorbeeld 3{J 125 micron) dan het vezelgedeelte waaraan getrokken werd. De transmis sievezel met een korter taps eindgedeelte heeft een groter inkoppel-rendement dan een transmissievezel met een langer taps eindgedeelte.

De lens die verkregen is volgens de in figuur 2 geïllustreerde werkwijze bestaat uit een homogeen materiaal met een relatief hoge 35 brekingsindex. Het oppervlak van deze lens kan een gedeelte van het invallende licht reflekteren. Om het reflektieverlies te verminderen kan op het buitenoppervlak 12 van de lens 10 een antireflektielaag 13, zoals in figuur 3 getoond, aangebracht worden.

8403931 % -¾ "EHN. 11.252 6

In een gerealiseerde uitvoeringsvorm van een transmissievezel met een kemdiameter van ongeveer 7 micron, een manteldiaireter van ongeveer 125 micron en een brekingsindex van ongeveer 1,47 welke transmissievezel een kort taps eindgedeelte met een plat eindvlak had waarop 5 een lens met een diameter van ongeveer 25 micron en net een brekingsindex van ongeveer 1,47 was aangebracht, werd een inkoppelrendenent van meer dan 55% bereikt.

10 15 20 25 30 35 3403931

Claims

1. Monanode optische transmissievezel waarvan een eindgedeelte een tapse kern en mantel heeft op welk eindgedeelte een lens in de s vorm van een transparant materiaal met een bolvormig oppervlak is aangebracht, met het kenmerk, dat de lens bestaat uit een materiaal waarvan de smelttenperatuur lager is dan die van de transmiss ievezel-materialen en de brekingsindex vrijwel gelijk is, aan die van het kernmateriaal. jQ

2. Menanode optische transmissievezel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het lensmateriaal glas is.

3. Mcnomode optische transmissievezel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat cp het buitenoppervlak van de lens een anti-reflektielaag is aangebracht.

4. Monanode optische transmissievezel volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de lengte van het tapse eindgedeelte van de orde van grootte van de diameter van het rechte vezelgedeelte is.

5. Monanode optische transmissievezel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de lens is aangebracht qp een plat 2Q eindvlak van het tapse eindgedeelte van de transmissievezel.

6. . 'Werkwjze voor het vervaardigen van een monomode optische transmissievezel volgens conclusie 1, waarbij een rechte transmissievezel in een boogontlading wordt gerekt totdat hij breekt zodat een vezel met een taps eindgedeelte verkregen wordt, het tapse eindgedeelte 25 wordt gedompeld in een vloeibaar transparant materiaal, het tapse eindgedeelte uit het vloeibare materiaal wordt getrokken en het aan het vezeleinde hechtende materiaal tot een vaste lensvorm verstard wordt, met het kenmerk, dat het tapse eindgedeelte wordt gedompeld in een vloeibaar transparant materiaal, waarvan de smelttenperatuur 3Q lager is dan die van de transmissievezelmaterialen en de brekingsindex vrijwel gelijk aan die van de vszelkem.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat alvorens het tapse einddeel van de transmissievezel in het vloeibare materiaal gebracht wordt, aan dit einddeel een plat eindvlak gemaakt wordt.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat een taps toelopende vezel met een plat eindvlak wordt verkregen door een rechte transmissievezel eerst uit te rekken, vervolgens een ronde kras op deze vezel te maken en tenslotte de vezel verder uit te rekken totdat 8403931 PHN.11.252 8 i 'V hij breekt op de plaats van de kras.

9. Werkwijze volgens conclusie 6, 7 of 8, net het kenmerk, dat bij het rekken van de transmiss ievezel slechts aan één kant van deze vezel getrokken wordt, zodat het tapse eindgedeelte van een van de 5 twee verkregen transmissievezels aanzienlijk korter is dan dat van de andere transmissievezel.

10 15 20 25 30 35 8403931