DE3544136C2

DE3544136C2 -

Info

Publication number: DE3544136C2
Application number: DE3544136A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. 8000 Muenchen De Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-12-13
Filing date: 1985-12-13
Publication date: 1991-01-10
Also published as: US4795228A; DE3544136A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fasertaper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Taper der genannten Art werden insbesondere zur effizienten Einkopplung des von einem Halbleiterlaser abgestrahlten Laserlichts in eine Monomodefaser verwendet. Eine solche effiziente Kopplung des Laserlichts in die Monomodefaser ist eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung optischer Monomode-Übertragungsstrecken. Der große Öffnungswinkel des Laserstrahls begrenzt in der Regel den Einkoppelwirkungsgrad. Durch Verwendung eines zwischen der Faser und dem Laser angeordneten Taper und einer zwischen dem Taper und dem Laser angeordneten sphärischen Linse läßt sich eine sehr effiziente Kopplung erreichen. Der Taper ist dabei so anzuordnen, daß er sich zum Laser hin verjüngt.

Bei bisherigen Ausführungsformen ist der Taper als ein konisch sich verjüngendes Ende einer Faser ausgebildet, die einen von einem Mantel umgebenen Kern aufweist. Er kann so hergestellt werden, daß die Faser lokal erweicht und gezogen wird, so daß eine Einschnürung entsteht, die in oder in der Nähe ihrer Taille durchtrennt wird. Es entstehen dadurch zwei Fasern mit einem Taper. Die sphärische Linse kann direkt an das verjüngte Ende des Tapers angeschmolzen werden, beispielsweise durch Rundschmelzen dieses Endes in einem Lichtbogen oder in einer Flamme.

Da bei einer solchen Herstellungsweise während des Ziehvorgangs Faser- und Kerndurchmesser im selben Verhältnis abnehmen, erfolgt nach der Theorie eine Aufweitung der Fleckgröße des Grundmodes des Faserabschnitts mit abnehmendem Kerndurchmesser. Dies wurde experimentell bestätigt (siehe R. Keil, E. Klement, K. Mathyssek, J. Wittmann: Experimental Investigation of the Beam Spot Size Radius in Single-Mode Fibre Tapers, Elctr. Lett. 20 (1984) S. 621-622). Dies ist höchst vorteilhaft, da ein größerer Fleckdurchmesser einen weiteren Koppelabstand ermöglicht. Die Auswirkungen der Reflexion an der Linsenoberfläche verringern sich so.

Allerdings handelt man sich mit dem größeren Fleckdurchmesser im dünnen Taper wegen der schlechteren Führung des Lichts im verschwindend dünnen Kern erhebliche Abstrahlverluste an der in der Regel rauhen und an Luft grenzenden Oberfläche des Tapers bzw. der Faser ein. Eine Faser mit 125 µm Durchmesser darf daher nur auf den halben Durchmesser, d. h. auf 60 µm, verjüngt werden. Die Ausbildung der Linse mit optimal 20 µm Durchmesser erreicht man durch gestücktes Spitzschmelzen des Tapers (siehe dazu R. Keil, K. Mathyssek, E. Klement, F. Auracher: Coupling Between Semiconductor Laser Diodes and Single-Mode Optical Fibers, SFEB 13 (1984) S. 284-288).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Taper der eingangs genannten Art anzugeben, der keine oder nur geringe Abstrahlverluste aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Taper wird das vom verschwindend dünnen Kern abgestrahlte Licht von dem weiteren Kern geführt, der für eine verlustarme Führung sorgt.

Es ist zweckmäßig, den erfindungsgemäßen Taper so zu bemessen wie es im Anspruch 2 angegeben ist.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Taper ist es zweckmäßig, wenn er eine angeschmolzene Linse aufweist (Anspruch 3). Die Herstellung des Tapers kann mit Hilfe einer entsprechenden Faser, die den Kern, den weiteren Kern und den Mantel aufweist, wie bisher erfolgen, beispielsweise durch lokales Erweichen und Ziehen dieser Faser.

Die Herstellung dieser Faser erfolgt bevorzugterweise gemäß Anspruch 4 durch Ziehen aus einer stabförmigen Vorform mit entsprechender Struktur, d. h. aus einer Vorform, die einen Kern, einen den Kern unmittelbar umgebenden weiteren Kern und einen, den weiteren Kern umgebenden Mantel aufweist, wobei die Radien der Kerne und des Mantels im gleichen Verhältnis zu den Radien der Kerne und des Mantels der zu ziehenden Fasern stehen.

Die Erfindung wird anhand der Figuren in der folgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Einkoppeln des von einer Laserdiode abgestrahlten Laserlichts in eine Monomodefaser durch einen vorgeschlagenen Taper mit angeschmolzener Linse, und

Fig. 2 das doppelstufenförmige Brechzahlprofil des Tapers.

Die Figuren sind nicht maßstäblich gezeichnet.

Die Koppelvorrichtung nach Fig. 1 dient zum Einkoppeln des von der Laserdiode 20 abgestrahlten Laserstrahls 21 in die Monomodefaser 10 mit dem Mantel 101 und dem Kern 102. Dazu dient der im wesentlich koaxial zur Achse A des Laserstrahls 21 angeordnete Fasertaper 1, dessen verjüngtes Ende mit dem Radius a₄ dem Laserstrahl 21 zugekehrt ist. Dieses verjüngte Ende bildete eine brechende hemisphärische Linse 14, die beispielsweise durch Anschmelzen erzeugt worden ist. Das andere Ende 15 des Tapers 1 ist eine plane Stirnfläche, an welche die Monomodefaser 10 mit einer Stirnfläche 105 koaxial zum Taper 1 stoßgekoppelt ist.

Der Taper 1 verjüngt sich nach rechts in Richtung zur Laserdiode 20 von einem äußeren Radius a₃ konisch auf den kleineren Radius a₄ an der Linse 14. Ähnlich verjüngt sich der von dem Mantel 11 des Tapers 1 umgebene Kern 12 von dem Kernradius a₁ nach rechts zur Laserdiode hin konisch auf einen verschwindend kleinen Radius in der Nähe der Linse 14. Zwischen dem Kern 12 und dem Mantel 11 ist der weitere Kern 13 angeordnet, der den Kern 12 unmittelbar umgibt, und der sich ähnlich wie dieser von dem relativ größeren Kernradius a₂ auf einen kleineren Kernradius a₆ an der Linse 14 verjüngt, der zwar kleiner als der Radius a₄, jedoch nicht verschwindend klein ist.

Der Radius a₁ des Kerns 12 des Tapers 1 ist gleich dem Radius a₅ des Kerns 102 der Monomodefaser 10 gewählt, die z. B. als eine Übertragungsstrecke dient.

In der Fig. 2 ist das stufenförmige Brechzahlprofil des Tapers 1 dargestellt. Es ist ein Doppelstufenprofil. Die höchste Brechzahl liegt im Kern 12 vor. Die Brechzahl des weiteren Kerns 13 ist um die Brechzahldifferenz Δn₁ kleiner als die Brechzahl des Kerns 12. Die Brechzahl des Mantels 11 ist um die Brechzahldifferenz Δn₂ kleiner als die Brechzahl des weiteren Kerns 13.

Dieses Doppelstufenprofil ist nicht nur im Bereich des Tapers 1 mit dem Radius a₃ vorhanden, sondern auch im konischen Teil.

Mit abnehmender Führung des über die Linse 14 in den Taper 1 eingekoppelten Laserstrahls 21 im Kern 12 längs des Tapers 1 tritt das Licht in den weiteren Kern 12 über, der dann für eine verlustarme Führung sorgt. Über die Brechzahldifferenz Δn₂ zwischen dem weiteren Kern 13 und dem Mantel 11 läßt sich dann unabhängig vom Taperstreckverhältnis a₃/a₄ die gewünschte Fleckgröße am Ende 15 des Tapers einstellen.

Für eine erwünschte Verdoppelung der Fleckgröße ω₀ genügt es beispielsweise nach der bekannten Gleichung (siehe D. Marcuse: Loss Analysis of Single-Mode Fiber Splices, Bell. Syst. Techn. J. 56 (1977) S. 703-718)

mit V = 2πa · n die Brechzahldifferenz Δn₂ näherungsweise zu Δn₂ = 1/4 Δn₁ zu wählen, wenn der Radius a₂ des weiteren Kerns 13 gerade so eingestellt wird, daß der verkleinerte Radius a₆ dieses Kerns 13 am Taperende bei der Linse 14 dem Radius a₁ entsprechen soll.

Es sollte nicht nur der Radius a₅ des Kerns 102 der Monomodefaser 10 gleich dem Radius a₁, sondern auch die Brechzahldifferenz zwischen dem Kern 102 und dem Mantel 101 dieser Faser 10 gleich der Brechzahldifferenz Δn₁ gewählt werden.

Die Herstellung des Tapers 1 kann beispielsweise so erfolgen, daß eine Faser mit dem Brechzahlprofil nach Fig. 2 lokal erweicht und auseinandergezogen wird, so daß sich eine Einschnürung ausbildet, die in der Taille durchtrennt wird. Das Anschmelzen der hemisphärischen brechenden Linse kann während des Durchtrennens, beispielsweise mit Hilfe eines Lichtbogens, oder danach erfolgen.

Die Faser mit dem Doppelstufenprofil nach Fig. 2 wird bevorzugterweise aus einer stabförmigen Vorform gewonnen, die das gleiche Profil hat. Die Vorform kann nach einem bekannten Verfahren, beispielsweise dem MCVD-Verfahren oder dem OVD-Verfahren, hergestellt werden.

Beim MCVD-Verfahren für Monomodefasern wird zweckmäßigerweise eine Dreizonenstruktur realisiert, bei welcher auf der Innenwand eines Quarzglasrohres zwei Zonen aus Reinstglas abgeschieden werden. Das Quarzglasrohr ergibt den Mantel 11, die auf dem Quarzglasrohr abgeschiedene Zone ergibt den weiteren Kern 13 und die auf dieser Zone abgeschiedene Innenzone ergibt den Kern 12. Δn₂ ist in der Regel klein. Es genügt dann für die Herstellung der Faser mit dem Doppelstufenprofil lediglich ein Dotierstoffverhältnis Phosphor zu Fluor in der mittleren Zone hin zu höherer P-Dotierung zu verschieben oder zusätzlich mit Germanium zu dotieren, um eine geeignete Doppelstufenstruktur zu realisieren.

Nach Abscheidung der beiden Zonen wird das Rohr zum Stab kollabiert. Die Dicken der Zonen und des Rohres sind so zu wählen, daß nach dem Kollabieren der Radius des Kerns, der Radius des weiteren Kerns und der Außenradius des Stabes im Verhältnis a₁:a₂:a₃ stehen, das typischerweise 1:6:16 ist.

Die vorgeschlagenen Fasertaper mit Doppelstufenprofil liefern eine Strahlaufweitung im Taper und können so dimensioniert werden, daß längs des Tapers eine adiabatische Modenanpassung von einem zu anderen der beiden Kerne erfolgt. Damit ergibt sich der Vorteil, die Strahlaufweitung im Taper zu optimieren.

Das vorgeschlagene Prinzip zur Strahlaufweitung im Taper ist nicht nur für die notwendige Anpassung der unterschiedlichen Moden von Faser und Halbleiterlaser aneinander, sondern immer dann verwendbar, wenn unterschiedliche Wellenleitermoden einander angepaßt werden sollen.

Auch kann mit dem vorgeschlagenen Taper die optische Rückkopplung in den Laser, die möglichst vermieden werden muß, weiter als bisher verringert werden.

Claims

1. Fasertaper in Form einer an einem Ende sich konisch verjüngenden Faser (1) mit stufenförmigem Brechzahlenprofil und mit einem von einem Mantel (11) mit niedrigerer Brechzahl umgebenen Kern (12) mit höherer Brechzahl, der sich an dem einen Ende verjüngt, insbesondere zur Kopplung einer Monomodefaser (10) mit einem Halbleiterlaser (20), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kern (12) und dem Mantel (11) ein den Kern (12) unmittelbar umgebender weiterer Kern (13) vorgesehen ist, dessen Brechzahl kleiner als die des Kerns (12) und größer als die des Mantels (11) ist.

2. Taper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Radius (a₁) des Kerns (12) und eine Brechzahldifferenz (Δn₁) zwischen dem Kern (12) und dem weiteren Kern (13) gleich einem Radius (a₅) eines Kerns (105) und einer gleichen Brechzahldifferenz zwischen diesem Kern (102) und einem diesen Kern (102) unmittelbar umgebenden Mantel (101) einer an einem anderen Ende des Tapers anzukoppelnden Faser (10) gewählt sind.

3. Taper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einen Ende eine Linse (14) angeschmolzen ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Faser für einen Fasertaper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus einer stabförmigen Vorform gezogen wird, die einen Kern, einen den Kern unmittelbar umgebenden weiteren Kern und einen den weiteren Kern umgebenden Mantel aufweist, wobei die Radien der Kerne und des Mantels im gleichen Ver hältnis zu den Radien der Kerne und des Mantels der zu ziehen den Fasern stehen.