-
-
Lichtwellenleiter mit D-formigem Querschnitt, ins-
-
besondere zur Herstellung von polarisationserhaltenden wellenlängenselektiven
Monomode-Faserkopp lern Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Ein derartiger Lichtwellenleiter ist bekannt aus "Electronics Letters",
28th October 1982, Vol. 18, No.
-
22, Seiten 980 bis 981. Einer der wichtigsten Anwendungsfälle eines
solchen Lichtwellenleiters ist ein polarisationserhaltender Richtungskoppler, der
beispielsweise durch Aneinanderschmelzen zweier solcher Lichtwellenleiter mit ihren
lichtwellenleitenden Bereichen hergestellt werden kann. Auch diese Anwendung ist
aus der angegebenen Veröffentlichung bekannt.
-
Ein aus zwei solchen Lichtwellenleitern hergestellter polarisationserhaltender
Richtungskoppler ist bekannt aus: "Electronics Letters", 4th August 1983, Vol. 19,
No. 16, Seite 601.
-
Was die Herstellung eines solchen Lichtwellenleiters betrifft, so
gibt die erstgenannte Veroffentlichung lediglich den Hinweis, daß bereits dessen
Vorform eine große Achse des Kerns, also einen elliptischen Kernquerschnitt hat.
-
Es ist nicht angegeben, mit welchen Mitteln dieser elliptische Kernquerschnitt
erreicht wird, und es ist auch schwierig, eine solche Vorform herzustellen.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Lichtwellenleiter der
eingangs genannten Art anzugeben, dessen Herstellung einfacher als die des bekannten
ist.
-
Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst. Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3. Die bevorzugte Anwendung ist Gegenstand
des Anspruchs 4, und die weiteren Ansprüche betreffen ein Verfahren zur Herstellung
des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters.
-
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters,
Fig.
2 einen Querschnitt eines aus zwei erfindungsgemäßen Lichtwellenleitern hergestellten
Kopplers, Fig. 3 den Querschnitt eines kreisrunden Stabs, aus dem die Vorform des
Lichtwellenleiters hergestellt wird und Fig. 4 den Querschnitt und Längsschnitt
der Vorform des Lichtwellenleiters nach Fig. 1.
-
Der Lichtwellenleiter nach Fig. 1 hat einen im wesentlichen D-förmigen
Querschnitt, wobei die flache Seite FS dieses Querschnitts in der Zeichnung waagrecht
oben liegt. Wie beim Stand der Technik Liegt der Kern nahe an der flachen Seite
FS, damit die Lichteinkopplung in diesen Kern bzw. die Lichtauskopplung aus diesem
Kern erleichtert ist. Der Kern 1 hat einen elliptischen Querschnitt, dessen relative
Lage jedoch anders ist als beim Stand der Technik. Die große Achse des Querschnitts
liegt nämlich rechtwinklig zur flachen Seite FS des Lichtwellenleiters und nicht
wie beim Stand der Technik parallel hierzu. Daraus ergibt sich auch eine leichte
Aufwölbung der flachen Seite FS im Bereich des Kerns 1.
-
Erfindungsgemäß ist dieser Kern 1 von einer inneren Mantelschicht
2 umgeben, deren Erweichungstemperatur gegenuber dem übrigen Material deutlich herabgesetzt
ist. Diese Schicht, die im Bereich des Kerns, d. h. an der Wölbung der flachen Seite
des Lichtwellenleiters die äußerste Schicht des Lichtwellenleiters ist, erleichtert
das Anschmelzen dieses Lichtwellenleiters an irgendwelche optischen Bauteile mit
glasiger Oberflache, insbesondere das Zusammenschmelzen zweier solcher Lichtwellenleiter
zu einem Koppler.
-
An die innere Mantelschicht 2 schließt sich eine mittlere Mantelschicht
3 an, deren Erweichungstemperatur durch Zugabe von Dotiermitteln ebenfalls gegenuber
der von undotiertem Kieselglas herabgesetzt ist, jedoch höher ist als die der inneren
Schicht. Die mittlere Mantelschicht 3 ist von einer äußeren Mantelschicht 4 umgeben,
die aus undotiertem Kieselglas besteht.
-
Die große Achse des elliptischen Kerns ist ungefähr 9 und die kleine
ungefähr 4 um lang, und die Dicke der inneren Mantelschicht beträgt ungefähr 4 bis
5 um. Der zur flachen Seite FS rechtwinklige Durchmesser d des D-förmigen Lichtwellenleiters
beträgt etwa 60 um, wenn, wie aus Fig. 1 ersichtlich, auch die der flachen Seite
gegenüberliegende Seite leicht abgeflacht ist und andernfalls 71 bis 72 um. Diese
leichte Abflachung hat Vorteile hinsichtlich der Herstellung, die im Zusammenhang
mit Fig. 4 erläutert werden. Die innere Mantelschicht 2 und die mittlere Mantelschicht
3 bestehen aus Kieselglas, das mit brechungsindexerhöhendem P205 und brechungsindexerniedrigendem
Fluor derart dotiert ist, daß die Erweichungstemperatur wie erwähnt abgestuft, der
Brechungsindex jedoch im wesentlichen gleich dem von dem undotiertem Kieselglas
ist.
-
Ein Querschnitt durch einen Koppler, der aus zwei Licht wellenleitern
nach Fig. 1 hergestellt ist, wird nun anhand von Fig. 2 erläutert. Wie man sieht,
sind die beiden flachen Seiten der Lichtwellenleiter in ihrem gewölbten Bereich
aneinandergeschweißt, wobei besonders die inneren Mantelschichten 2 und auch noch
die mittleren Mantelschichten 3 miteinander verbunden sind. Die verschweißte Zone
erstreckt sich also von der Mitte bis zum Rand der mittleren Mantelschichten 3.
Die äußeren Mantelschichten 4, deren Erweichungstemperaturen nicht
herabgesetzt
sind, sind durch das Zusammenschmelzen der beiden Lichtwellenleiter nicht verformt,
und der hierin verbliebene Zwischenraum ist mit einem fur optische Bauteile geeigneten
Kitt, z. B. mit Silikonkautschuk ausgefullt. Die an den Außenseiten des Kopplers
erkennbaren Abflachungen sind, wie noch erläutert wird, eine Folge des Herstellungsverfahrens
der Lichtwellenleiter und haben keinen Einfluß auf deren optische Eigenschaften
und auf die optischen Eigenschaften des Kopplers.
-
Es ist bekannt (M.D.Nelson und W.C.Goss: "Polarization Preserving
Single Mode Fiber Optic Coupler" in: S.Ezekiel and H.J.Arditty "Fiber Optic Rotation
Sensors", Springer-Verlag, Berlin 1982, S.149-156), daß ein Faserkoppler mit zwei
parallelen Monomodefasern und kreisrunden Faserkernen einen größeren Lichtkopplungsgrad
aufweist, wenn er mit in der Ebene der Monomodefasern linear-polarisiertem Licht
betrieben wird, als wenn er mit senkrecht zur Ebene der Monomodefasern polarisiertem
Licht betrieben wird. Aus diesem Experimentalbefund fur Monomodefasern mit kreisrundem
Kernquerschnitt ist zu schließen, daß zwei mit ihren Längsachsen in einer Linie
liegende elliptische Faserkerne einen besseren Kopplungsfaktor erwarten lassen als
zwei Faserkerne, deren große Ellipsenachsen wie beim Stand der Technik parallel
zueinanderliegen.
-
Eine weitere Voraussetzung für einen verbesserten Kopplungsfaktor
ist, daß die ubrigen fur die Kopplung bedeutsamen Eigenschaften optimiert werden:
Diese Eigenschaften des Kopplers sind: der Durchmesser der Faserkerne, der Abstand
der Faserkerne voneinander, der Krummungsradius der Faserkerne und die Wechselwirkungslänge
der Faserkerne.
-
Die D-Fasern können längs so verschweißt werden, daß die Faserkerne
parallel, hyperbelförmig gekrümmt oder kreisförmig gekrümmt zu liegen kommen. Die
Wellenlangenselektivität der erfindungsgemäßen Faserkoppler wird in der Reihenfolge
der genannten Faseranordnungen abnehmen. D.
-
h. fur einen Koppler mit parallelen Fasern wird die beste Wellenlängenselektivität
(= kürzester Abstand von 2 verschiedenen Lichtwellenlängen) erwartet.
-
Der Lichtwellenleiter nach Fig. 1 kann wie folgt hergestellt werden:
zunächst wird durch an sich bekannte Innenbeschichtung und anschließendes Kollabieren
eines Rohres aus Kieselglas ein kreisrunder Stab hergestellt, dessen Querschnitt
in Fig. 3 gezeigt ist. Dieser Stab hat in der Mitte einen kreisrunden Kern 1 aus
Kieselglas, das mit GeO2 in einer Konzentration von 6 bis 8 Gew.-2 dotiert ist,
eine diesen Kern umgebende innere Mantelschicht 2, die mit P 205 und F so dotiert
ist, daß ihre Erweichungstemperatur auf ungefähr 11000 C herabgesetzt ist, jedoch
ihr Brechungsindex nahezu unverändert gegenüber dem undotiertem Kieselglas ist.
Eine sich daran anschließende mittlere Mantelschicht 3 besteht aus Kieselglas, dessen
Erweichungstemperatur durch die Dotiermittel P 205 und F auf etwa 14500 C herabgesetzt
ist und dessen Brechungsindex nahezu gleich dem von undotiertem Kieselglas ist.
Die äußerste Mantelschicht dieses kreisrunden Stabes ist aus dem undotierten Kieselglasrohr
entstanden, auf dessen Innenseite das Material der übigen Schichten 1 bis 3 durch
Abscheidung aus einer chemischen Dampfphasenreaktion aufgebracht ist
Die
Dicke dieser Schichten ist so gewählt, daß ein aus diesem kreisrunden Stab gezogener
kreisrunder Lichtwellenleiter einen Kerndurchmesser von 6 um, einen Außendurchmesser
der inneren Mantelschicht 2 von 12 um, einen Außendurchmesser der mittleren Mantelschicht
von 45 bis 55 um und einen Gesamtdurchmesser von 125 um haben wurde.
-
Im nächsten Verfahrensschritt wird der so dimensionierte kreisrunde
Stab zur Vorform des Lichtwellenleiters nach Fig. 1 weiterverarbeitet, indem er
an einer Seite eben abgeschliffen wird und zwar soweit, bis die innere Mantelschicht
2 erreicht ist. Einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine solche Vorform
zeigt die Fig. 4.
-
Aus dieser Vorform wird in einer üblichen Faserziehvorrichtung der
Lichtwellenleiter nach Fig. 1 gezogen.
-
Damit die Vorform leichter in der Faserziehvorrichtung befestigt werden
kann, wird auch ihre Rückseite, wie in Fig. 4 gezeigt, angeschliffen und dadurch
ihr Durchmesser um etwa 10% verkleinert. Dieses begünstigt beim Faserziehen die
gleichmäßige Ausbildung des D-förmigen Querschnitts und verhindert ein mögliches
Verdrillen der Faser. Außerdem ist die angeschliffene Rückseite fur das Einlegen
der Fasern in V-Nuten bei der Kopplerherstellung eine Orientierungshilfe.
-
Die Vorform nach Fig. 4 wird derart in der Ziehvorrichtung befestigt,
daß beim Ziehen der auf der flachen Seite senkrecht stehende Durchmesser des daraus
gezogenen Lichtwellenleiters überwacht werden kann, also der in Fig. 1 gezeigte
Durchmesser d. Der Durchmesser wird beim Ziehen so geregelt, daß er konstant 60
um beträgt.
-
Im Ofen der Ziehvorrichtung wird die Vorform so erhitzt, daß ihr Querschnitt
wie folgt verformt wird: Die innere Mantelschicht 2 und die sich daran anschließende
Mantelschicht 3 erweichen stärker als die äußere Mantelschicht 4. Dadurch beginnt
das Material dieser Schichten sich unter der Wirkung seiner Oberflächenspannung
so zu verformen, daß sich seine Oberfläche verkleinert, also die zuvor eben geschliffene
Oberfläche rund wird, was nicht anders möglich ist als durch eine Aufwolbung der
abgeschliffenen Seite der Vorform im Bereich dieser Schichten. Dieser Aufwölbung
paßt sich auch das Kernmaterial an, indem sich ein elliptischer Kernquerschnitt
ausbildet, dessen große Ellipsenachse zur Aufwölbung hinzeigt, also senkrecht auf
der flachen Seite der Vorform oder des daraus entstehenden Lichtwellenleiters steht.
-
Die Zugkraft beim Ziehen und die Temperatur werden so gewählt, daß
abgesehen von dieser Verformung der Querschnitt der Vorform nahezu unverändert in
den Querschnitt des Lichtwellenleiters Ubergeht, der dadurch die in Fig. 1 gezeigte
Form erhält. Die Erfahrung hat gezeigt, daß abweichend von der normalen Ziehtechnik
fur kreisrunde Lichtwellenleiter hierzu eine Zugkraft von etwa 40 cN und eine Ofentemperatur
von ungefähr 19500 C zu wählen ist. Eine geringere Zugkraft oder eine höhere Ofentemperatur
wurde dazu führen, daß die Vorform stärker verrundet als dies gewünscht ist und
dadurch ihren im wesentlichen D-förmigen Querschnitt verliert.
-
Falls nicht vorgesehen ist, den Lichtwellenleiter bereits kurze Zeit
nach dem Ziehen für die Herstellung von Kopplern zu verwenden, wird in üblicher
Weise während des Ziehvorgangs eine Primärbeschichtung, z. B. aus Silikonkautschuk,
auf den Lichtwellenleiter aufgebracht.
-
Ohne eine solche Primärbeschichtung, auch Schutzschicht genannt, würde
der Lichtwellenleiter nach wenigen Tagen brüchig werden und könnte nicht mehr weiterverarbeitet
werden.
-
Bei der Herstellung von Kopplern muß diese Schutzschicht wieder entfernt
werden.