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ANORDNUNG ZUR SELEKTIVEN MODENANREGUNG ODER MODENANALYSE
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IN GRADIENTENFASERN Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur selektiven
Modenanregung oder -analyse in Gradienteniasern durch einen optischen Aufbau zur
Anregung oder analyse der Faserwellen mit Modengruppen - Hochpaßcharakteristik,
der zur Erzielung einer Modengruppen - Bandpaßcharakteristik in einfacher Weise
mit einem Modengruppen - Tiefpaß kombiniert werden kann Sie ist insbesondere für
Messungen an vieiwelligen Lichtwellenleitern (LWL) und LWL-Komponenten geeignet.
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Die übertragungseigenschaften von LWL und LWL-Komponenten werden weitgehend
von der Art der Modenanregung bestimmt. Zur meßtechnischen Charakterisierung ist
deshalb sowohl eine modenselektive anregung die auch eine modenselektive analyse
erforderlich.
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Es ist schwierig, eine modenselektive anregung bei Gradienten+asrn
zu realisieren. Für Stufenfasern ist seit langem bekannt, daß Ein schräg auf die
Faserstirn einfallender, kollimierter Strahl nur cie Moden anregt, deren zugehörige
Strahlen einen dem Einkopplungswinkel aufgrund der Brechungsgesetze fest zugeordneten
Äusbreitungswinkel in der Faser haben. Diese selektive Anregung ist bei Gradientenfasern
nicht möglich, da sich in ihnen der Äusbreitungswinkel der Strahlen längenabhängig
ändert.
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Für Gradientenfasern ist bisher lediglich bekannt, daß durch achsparallele
Einkopplung eines gaußschen Strahls einige Modengruppen selektiv angeregt werden
können (Jeunhomme, L. und Pocholle, J.P.:
wSelective mode excitation
of graded-index cptical fibers>, Rpplied Optics 17 (1978), 463 - 468). Dieses
Prinzip wurde konstruktiv vereinfacht durch Abstrahlung des gaußschen Strahls aus
einer einwelligen Faser (White, I.A. und Cooper, D.: Selective excitation of the
modes of multimode graded-index fibers', Proc. bth Europ. Con+.
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on Optical Communication, York (Großbrit.), Sept. 1980, 95 - 98).
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Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß mehrere einwellige Fasern
verschiedenen Fleckradius nötig sind, um unterschiedliche Grade der Selektivität
zu erreichen, daß Präzisionsaufbauten erforderlich sind, um die einwellige Faser
vor der Stirnfläche der Gradientenfaser achsparallel und bei definiertem Radius
zu positionieren und schlieB-lich, daß gewöhnlich die optische Leistung aus der
einwelligen Faser zu gering ist, um Messungen mit großem Dynamikbereich durchzuführen.
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Nur Modengruppen mit kleiner Ordnung läßt eine Anordnung passieren,
bei der der LWL mit einigen Windungen um einen zylindrischen Dorn gewickelt wird.
Abhängig vom Durchmesser des Dorns werden mehr oder weniger höhere Modengruppen
zur Rbstrahlung gebracht (Cherin, A.H. et al.: Selection of mandrel wrap mode filters
for optical fiber loss measurements Fiber & Integrated Optics4 (l?82) 49-65).
In ähnlicher Weise wirken andere Anordnungen, bei denen die Faserachse gekrümmt
wird, sowie Fasertaper (garwal, A.K. und Unrau, U.: Novel component to approximate
steady-state mode power distribution in graded-index fibres', Electron. Lett. 19
<1983), 57-58). Der Aufbau von Fasertapern ist bisher nur zum Zweck einer stationären
Modenanregung bekannt, nicht aber für möglichst steile Filterwirkung. Wegen der
nur einseitigen Begrenzung des Modenvolumens sind alle diese Anordnungen, die kurz
als Modengruppen-Tiefpässe bezeichnet werden sollen, allein für eine selektive Modenanregung
unbrauchbar.
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verdeutlichen, welche die relative Modengruppenordnung O <= m/M
<= 1 angibt, die durch einen unendlich dünnen, unter dem polaren WinkelO beim
Radius r auf die Faserstirnfläche einfallenden Strahl angeregt wird. Es sind weiterhin
a der Kernradius, g der Profilparameter einer Gradientenfaser mit Potenzprofil und
0 der Grenzakzeptanzwinkel #C =arcsi n
im Profilmaximum nk, wenn n die Mantelbrechzahl ist Die kollimierte Strahlung trifft
auf den gesamten LWL-Querschnitts also im Kernbereich auf alle Radien o <= r
<= a. Die kleinste Modengruppenordnung m/M wird durch den Teilstrahl angeregt,
der bei r=O einfällt. Gemäß G1. 1 erhält man also eine Modengruppen -Hochpaßcharakteristik,
bei der 0 die untere Grenze m i mmin kon trolliert:
ähnlich wirkt divergente oder konvergente Strahlung, die auf die Kernfläche der
Faser einfällt. Da bei ihr jedoch # 0 = f(r) ist, liegt das Minimum von 61. 1 gewöhnlich
bei endlichen Radien r. Ein Minimum und damit eine Modengruppen - Hochpaßcharakteristik
stellt sich ein, solange ein Teilstrahl des Strahlenbündeis innerhalb der lokalen
numerischen Apertur der Faser liegt. Fur eine konstruktiv einfache und mechanisch
unkritische Anregung ist wesentlich, daß das divergente bzw. konvergente Strahlenbündel
die gesamte Kernfläche der Faser illuminiert. Die notwendige Variation von 0 kann
vorgenommen werden, indem entweder das divergente bzw. konvergente Strahlenbündel
m die Faserendfläche geschwenkt wird oder indem die Faser im Strahlenbündel verschoben
wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache
anordnung anzugeben, mit der vergleichsweise hohe optische Leistungen in eine Gradientenfaser
eingekoppelt werden können, wobei das angeregte Modenvolumen sowohl in seinem Anfang
als auch in seiner Aus-' dehnung getrennt einzustellen ist. In Umkehrung des Wirkungsprinzips
soll die gleiche Anordnung zur Modenanalyse tauglich sein Die Aufgabe, den anfang
des Modenvolumens festzulegen, wird erfindungsgemas durch einen als Modengruppen
- Hochpaß wirkenden optischen Aufbaugelöst, mit dem die entsprechende Anregung der
Faser dur-ch optische Strahlung erfolgt oder der die Strahlung aus einer Faser auf
einen Detektor leitet. Wird außerdem im Verlauf der Faser ein Modengruppen - Tiefpaß
eingefügt, so läßt sich auch die Ausdehnung des Modenvolumens einstellenX Dabei
kann in einfachster ausbildung der Erfindung die genannte Snregung durch optische
Strahlung aus einer Quasi-Punktquelle verwirklicht werden, die nach Passieren eines
Kollimators schräg auf die Stirnfläche der Gradientenfaser einfällt. Bei der Analyse
wird entsprechend ein schräg und in kleinem Raumwinkel aus der Faser austretender
Teil des Fernfelds über den Kollimator auf einen Detektor geleitet. In weiterer
Ausbildung können als Modengruppen - TieF-pässe neben bekannten Dornwickelfiltern
auch speziell aufgebaute Fasertaper eingesetzt werden.
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Während die selektive Modenanregung in Stufenfasern durch schräg einfallende,
kollimierte Strahlung zum Stand der Technik gehört, ist die Wirkung einer derartigen
Anregung auf Gradientenfasern bisher nicht bekannt. Sie läßt sich mit der Formel
Fig,
1 eine erfindungsgemäße einordnung zur Faseranregung mit kollimierter Strahlung,
gefolgt von einem Dornwickelfilter; Fig. 2 eine er+indungsgemäße Anordnung zur Faseranregung
mit divergenter Strahlung; Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Faseranregung
mit ausgeblendeten kleinen Einkopplungswinkeln; Fig. 4 die gemessene Modenleistungsverteilung
P (m/M) am Ausgang m einer Anordnung nach Fig.1 für verschiedene Drehwinkel; Fig.
5 P <m/M) für verschiedene Dorndurchmesser; m Fig. 6 P (m/M) für einige Kombinationen
von Drehwinkeln und m Dorndurchmessern; Fig. 7 den Querschnitt eines Tapers nach
der Erfindung.
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Ein Ausführungsheispiel der Erfindung ist in der Fig, 1 dargestellt.
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Eine optische Quelle mit Kollimatoroptik (1) gibt kollimierte oder
nahezu kollimierte Strahlung ab (2), die unter dem Winkel e auf die Stirnfläche
einer auf einem Drehtisch <3) befestigten Gradientenfaser (4) einfällt. Dieser
Änregungsanordnung nachgeschaltet ist ein Modengruppen - Tiefpaß, hier dargestellt
als Dornwickelfilter Es besteht aus einem Dorn (5) des Durchmessers D, um den die
Faser mit einigen Windungen gewickelt ist. Fig. 1 zeigt deutlich die konstruktive
Vereinfachung gegenüber einer auf Mikrometer genau einzustellenden Monomodenfaser
- Anregung. Parameter sind hier der am Drehtisch ohne
Aus Gl. 2
ist ebenfalls erichtlich, daR eine Hochpaß-Charakteristik erreicht wird, wenn Strahlung
auf die Faserstirnfläche fokussiert wird und dabei durch eine Scheibe im Strahlengang
der Bereich der Einkopplungswinkel von 0o bis e ausgeblendet wird.
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Um eine selektive Anregung mit Modengruppen-Bandpaßcharakteristik
zu erhalten, muß eine in solcher Weise angeregte Faser von einem Modengruppen-Tiefpaß
gefolgt werden. Dazu eignen sich die bekannten Dornwickelfilter oder Taper der nachfolgend
beschriebenen Wart.
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Von besonderer praktischer Bedeutung sind Gradientenfasern mit parabolischem
Brechzahlprofil, also 9=2. Bei ihnen ist die maximale Modengruppenordnung M dem
Kernradius a proportional. Wird also eine Gradientenfaser mit dem Radius a in einem
bikonischen Taper auf den Radius a1<a verjüngt, so können Modengruppen mit m/M
> al/a nicht mehr geführt werden und treten in den Mantelbereich über. Soll der
Taper als steiler Modengruppen - Tiefpaß wirken, so muR dafür gesorgt werden, daß
die abgeschnittenen Moden sofort und vollständig abgestrahlt werden. Im Gegensatz
zu bisher bekannten Fasertapern, bei denen zur verlustarmen Approximation des stationären
Zustands Modenmischung und Rekonversion von Mantelwellen erwünscht waren und die
deshalb von Luft oder einem Medium geringerer Brechzahl als der des Fasermantels
umgeben waren, werden die hier erwünschten Eigenschaften erfindungsgemäß durch kurze
Taper bei Einbettung in ein Medium erzielt, dessen Brechzahl ungefähr gleich oder
vorzugsweise höher a: s die des Fasermantels ist.
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Än Hand von Äusführungsbeispielen und Meßkurven sollen im folgenden
die Erfindung und die mit ihr erzielbaren Vorteile näher beschrieben werden. Es
zeigen die
besondere Präzision einzustellende Winkel 0 sowie der
Dorndurchmesser D, der durch Auswechseln und neues Bewickeln eines Dorns verändert
wird. e kann zwischen und dem Grenzakzeptanzwinkel Oc liegen.
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Nls optische Quellen können beispielsweise ein Halbleiterlaser mit
Kollimator, ein Gaslaser oder eine Lampe mit Filter und Kondensor verwendet werden.
Soweit die Kohärenz von Quellen für die Messung stört, können die Phasenbeziehungen
zwischen den Fasermoden in bekannter Weise durch mechanische Bewegung der Faser
verwürfelt werden. Weil die Strahlung der Quelle auf die ganze Faserstirnfläche
einwirkt, ist die in die Faser eingekoppelte Leistung deutlich höher als bei Monomodenfaser
- Anregung unter vergleichbaren Bedingungen und führt zu einer Verbesserung des
Dynamikbereichs der Messungen.
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Anstatt wie in Fig 1 die Faser auf einem Drehtisch zu montieren, kann
in anderer Ausbildung der Anordnung auch die Quelle um die fest montierte Faser
geschwenkt werden.
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Fig. 2 zeigt eine als Modengruppen - Hochpaß wirkende Anregung ein2r
Faser durch divergente Strahlung (6). Sie geht von einer Quelle au3, deren Emissionsfläche
klein gegen den Kernquerschnitt der Faser ist.
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In dieser Figur ist als Quelle ein Halbleiterlaser (7) mit seiner
elliptischen Strahlungskeule gezeichnet. Zur Variation des Einfall,-winkels auf
die Faserstirnfläche (8) ist nur eine Paralle[-verschiebung (9) der Faser in der
Strahlungskeule nötig; natürlich können aber auch wie in Fig. 1 die Faser in der
Strahlung gedreht bzw. die Quelle um die Faser geschwenkt werden. Die minimal angereg-e
Modengruppe bestimmt sich aus dem Minimum von 61. 1 mit zu O = f(r).
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Mit einem Aufbau nach Fig. 2 kann die Grenze m . = M nur mit hinmin
reichend divergenter Strahlung erreicht werden, d.h. die Faser muß bis in Bereiche
der Keule verschiebbar sein, wo der Grenzakzeptanzwinkel erreicht wird. Bei weniger
divergent strahlenden Quellen ist ein Schwenkaufbau nach Fig. 1 vorzusehen, wenn
die genannte Grenze erreicht werden soll.
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Wird in Fig. 2 zwischen Quelle und Faser eine Linse eingefügt, so
transformiert sie das divergente in ein konvergentes Strahlenbündel, in dem die
Faser parallel verschoben bzw. das um die Faser geschwenkt werden kann. Die Wirkung
einer anregung dieser Art mit konvergenter Strahlung als Modengruppen - Hochpaß
ist offensichtlich und kann in gleicher Weise wie bei divergenter Strahlung mit
Gl. 1 erklärt werden.
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FigO3 zeigt eine als Modengruppen-Hochpaß wirkende anordnung, bei
der die Strahlung einer Quasi-Punktquelle - hier wieder als Halbleiterlaser (7)
gezeichnet -, über eine Optik (10 eine Gradientenfaser (4) zentral anregt, wobei
eine Scheibe (12) mit Radius R Einkopplungswinkel im Bereich von Ob bis 0 ausblendet.
Die minimal angeregte Modengruppen - Ordnung folgt wieder aus Gl. 2. Im Äusführungsbeispiel
der Fig. 3 besteht die optische Anordnung aus zwei Linsen. Mit der ersten (10) wird
die Quellenstrahlung kollimiert, mit der zweiten (11) auf den Mittelpunkt der Faserstirnfläche
fokussiert. Hat (11) die Brennweite f, so gilt für den Blendenradius R = t$tan(
0), (3) Die Quelle könnte aber auch mit nur einer Linse auf die Faserstirn abgebildet
werden, wobei die Scheibe in die konischen Strahlenbündel
beiderseits
der Linse einzufügen wäre.
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Fig. 4 zeigt, was eine Veränderung des Einfallwinkels 0 generell bewirkt.
Für eine Standard - Gradientenfaser (g=2, a=25}im, Mantel radius d=62,Spm , AN=0,2)
ist für Modenleistungs - Gleichverteilung innerhalb jeder Modengruppe die relative
Modenleistung P als Funktion der m relativen Modengruppen - Ordnung m/M aufgetragen
mit 0 als Parameter.
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Gemessen wurde mit einer Anordnung nach Fig. 1 mit 5 Faserwindunqen
um einen Dorn von D=8mm Durchmesser. Die Kurven 1-4 gelten für O = ,'° 8°, 9°, 10°
und verdeutlichen in ihrem anstieg die steile Modengruppen - Hochpaßcharakteristik.
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Fig. 5 zeigt für die gleiche Anordnung, jetzt aber mit festem Drehwinkel
0=8°, den Einfluß verschiedener Dorndurchmesser, Die Kurven 1-5 gelten für D= 6mm,
8mm, IOmm, 14mm, 2Omm und zeigen in ihrem Abfall die veränderbare Modengruppen -
Tiefpaßcharakteristik.
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In Fig. 6 schließlich sind einige Kombinationen von 0 und D zusammengestellt,
die zeigen, daß der gesamte Modengruppenbereich mit hoher Selektivität überstrichen
werden kann. Es gelten die Zuordnungen: Kurve 1/#=8°/D=6mm, Kurve 2/#=9#=9°/D=8mm,
Kurve 3/0=10°/D=10mm, Kurve 4/0=110 /D=14mm, Kurve 5/#=12°/D=24mm. Die Bandbreite
der Kurven und damit die erreichbare Selektivität ist deutlich größer, als sie bei
Anregung mit Monomodenfasern erreicht wird. Mit 4mm <= D <= 30mm und entsprechenden
Winkeln 0 kann bei Standard-Gradientenfasern der gesamte Modengruppenbereich selektiv
angeregt werden.
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In der Fig. 7 ist schließlich ein Fasertaper dargestellt, wie er als
Modengruppen - Tiefpaß verwendet werden kann. Eine Gradientenfaser
mit
Kern (13) vom Durchmesser Za und mit einem Mantel (14) ist in ein Medium (15) eingebettet,
dessen Brechzahl nach der Erfindung nahe der des Mantels liegt und vorzugsweise
etwas größer als diese ist Dadurch wird gewährleistet, daß keine Strahlungswellen
in Kernwellen rückgewandelt werden können. Die Faser ist über die Länge L so verjüngt
worden, daß an der engsten Stelle der Kerndurchmesser auf 2al verjüngt wird Die
Grenze des Modengruppen - Tiefpasses liegt dann bei Fasern mit parabolischem Brechzahlprofil
bei m/M = al/a. Um die abzuschneidenden Moden möglichst abrupt in Stahlungswellen
zu wandeln, muß der Taper kurz sein mit L (= 1,2mm für Standard - Gradientenfasern
der bei Fig. 4 genannten Abmessungen. Der Taper kann am Ende einer kurzen Gradientenfaser
gefertigt und konfektioniert werden, die nach der Erfindung angeregt wird. Zur einfachen
Verbindung mit der zu messenden Faser kann ein Stecker an den Taper montiert werden
Diese Ausbildung der Erfindung hat Vorteile für Messungen an verkabelten Fasern,
mit denen sich nur schwierig Dornwickelfilter herstellen lassen Mit der Erfindung
lassen sich in einfacher Weise verschiedene Bereiche von m/M einstellen. Zur Messung
von Modengruppen - übergangsmatrizen sind insbesondere Bereichsgrenzen vorteilhaft,
mit denen die gesamte, in der Faser geführte optische Leistung in gleiche Teile
geteilt wird Zur Messung von 2x2 Matrizen bei Standard -Gradientenfasern und ihren
Bauteilen sind deshalb zwei Bereiche O <= mIM C= (= 6 und 1/ ~ C= m/M (= 1 vorzusehen,
ensprechend für nxn Matrizen die Grenzen für m/M bei 0, 1/ffn, 2/#n, .. usw