DE3751124T2

DE3751124T2 - Faseroptischer Modekonverter.

Info

Publication number: DE3751124T2
Application number: DE3751124T
Authority: DE
Inventors: Byoung Y Kim; Herbert J Shaw; Wayne V Sorin
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1986-01-17
Filing date: 1987-01-13
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2007-01-14
Also published as: KR870007433A; DE3752262T2; US4828350A; JPS62229110A; EP0627640B1; EP0229711B1; EP0229711A3; EP0627640A3; NO870187L; JP2769615B2; NO870187D0; DE3751124D1; CA1276492C; AU6762787A; EP0229711A2; IL81242A0; DE3752262D1; EP0627640A2

Description

FASEROPTISCHER MODENWÄHLER

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf faseroptische Kopplungseinrichtungen, und insbesondere auf Einrichtungen, die Lichtenergie zwischen ausgewählten Moden zweier verschiedener optischer Fasern koppeln.

Hintergrund der Erfindung

In faseroptischen Systemen ist es häufig erwünscht, bestimmte Ausbreitungsmoden eines optischen Signals zu entfernen, auszuwählen oder zu unterdrücken. Bei einer optischen Faser mit zwei Moden, in der sich ein optisches Signal in den räumlichen Ausbreitungsmoden erster und zweiter Ordnung ausbreitet, ist es beispielsweise bekannt, daß das Licht, das sich in der Mode zweiter Ordnung ausbreitet, von dem optischen Signal innerhalb der Faser "abgestreift" werden kann, indem ein Abschnitt der Länge der Faser als Spule ausgebildet wird, die einen in geeigneter Weise gewählten Spulendurchmesser hat. Der Spulendurchmesser wird so gewählt, daß die Mode zweiter Ordnung gestört wird, ohne die Mode erster Ordnung wesentlich zu beeinflussen, so daß Licht, das sich in der Mode zweiter Ordnung der Faser ausbreitet, in die Ummantelung der optischen Faser eintritt und von dieser entweicht. Der Teil, der sich in der Mode erster Ordnung ausbreitet, wird von der Faser geführt und verbleibt innerhalb des Kerns der Faser. Dieses Licht in der Mode erster Ordnung koppelt gewöhnlicherweise nicht mit der Mode zweiter Ordnung aufgrund der Differenz der Ausbreitungskonstanten zwischen den Moden erster Ordnung und den Moden zweiter Ordnung der Faser. Nach dem Durchlaufen der Länge der Spulenfaser breitet sich das optische Signal somit im wesentlichen nur in der Ausbreitungsmode erster Ordnung aus. Somit gestattet der "Modenabstreifer" die Auswahl von Licht, das sich in der Mode erster Ordnung ausbreitet, indem das Licht in der Mode zweiter Ordnung entfernt wird.
Obwohl ein Modenabstreifer eine vorteilhafte Einrichtung ist, sind seine Einsatzmöglichkeiten begrenzt, da das Licht, das von der Faser abgestreift wird, lediglich in den freien Umgebungsraum abgestrahlt wird. Der Modenabstreifer hat nicht die Fähigkeit, ausgewählte Moden zweier verschiedener optischer Fasern zu koppeln. Die Fähigkeit, eine ausgewählte räumliche Mode einer optischen Faser in eine ausgewählte räumliche Mode einer anderen optischen Faser zu koppeln, hat viele Anwendungsmöglichkeiten in einem faseroptischen System. Bei einem faseroptischen Frequenzverschieber, in dem Licht, das sich in einer Mode erster Ordnung ausbreitet, in eine Mode zweiter Ordnung gekoppelt wird und in der Frequenz verschoben wird, ist es beispielsweise wünschenswert, daß der Teil des frequenzverschobenen Lichts in der Mode zweiter Ordnung in eine ausgewählte Mode einer anderen Faser gekoppelt wird, so daß das Licht bei der verschobenen Frequenz übertragen werden kann. Somit besteht ein Bedürfnis für einen Modenwähler, der beispielsweise Moden niedrigerer Ordnung (z.B. eine Mode erster Ordnung) von Moden höherer Ordnung (z.B. einer Mode zweiter Ordnung) trennen kann und die Mode höherer Ordnung als ein Ausgangssignal für eine weitere Verwendung in dem faseroptischen System liefern kann.
In einem Artikel von R. G. Lamont, et al., mit dem Titel "Tuned-Port Twin Biconical-Fiber Splitters, Fabrication From Dissimilar Low-Mode-Number Fibers", Optics Letters, No. 1, Vol. 10, Januar 1985, Seiten 46 - 48, ist eine Aufspaltvorrichtung mit Zwillings- Doppelkonus-Faser und abgestimmtem Anschluß (tuned port twin biconical-fiber splitter) offenbart, bei der eine Kopplung zwischen einem ausgewählten Modenpaar zweier unterschiedlicher Monomoden- oder Quasi-Monomoden-Fasern auftritt. Gemäß dieser Literaturstelle werden die geätzten Abschnitte zweier Fasern Seite an Seite plaziert und in der Koppler-Herstellungsvorrichtung in Kontakt gebracht. An der Kontaktstelle wird Wärme mittels eines O&sub2;/H&sub2;-Mikrobrenners zugeführt, wodurch die Faserstränge miteinander verschmolzen werden. Unter einer Zugbelastung wird die Aufspaltvorrichtung schließlich in ihre vollständig verschmolzene Form als Doppelkonus-Verjüngung gezogen. In einer verschmolzenen Aufspaltvorrichtung ist der Querschnitt der Kerne jeder der verschmolzenen Fasern in dem Wechselwirkungsbereich wesentlich kleiner als außerhalb dieses Bereichs. Der Artikel von Lamont erwähnt eine mögliche Verwendung einer Technik, die eine polierte Dämpfungswellen-Aufspaltvorrichtung aufweist. Diese Literaturstelle offenbart jedoch nichts, das sich auf diese Technik in Verbindung mit einer optischen Kopplung von Ausbreitungsmoden in optischen Fasern bezieht. Darüber hinaus charakterisiert sie einen Rückgriff auf eine polierte Dämpfungswellen-Aufspaltvorrichtung als schwierig, komplex und unflexibel. Sie stellt schließlich fest, daß eine Kompensierung der Fehlanpassung in Modenausbreitungskonstanten ein Problem darstellen würde und daß eine mögliche Fehlabstimmung der Vorrichtung durch das Öl zur Indexanpassung, das gewöhnlich zwischen die zwei Flächen der Aufspaltvorrichtung gebracht wird, um deren freie Bewegung zu ermöglichen, ebenfalls berücksichtigt werden müßte.
In einem anderen Artikel von Whalen et al., mit dem Titel "Effectively nonreciprocal evanescent-wave optical fibre directional coupler", Electronics Letters, Vol. 21, Nr. 5, Seiten 175 - 176, ist ein nicht-reziproker Richtungskoppler offenbart, der eine Dämpfungskopplung zwischen einer optischen Einzelmoden- und einer optischen Mehrfachmoden-Faser verwendet. Der in dem Artikel von Whalen offenbarte Koppler koppelt zwischen Moden niedriger Ordnung und Moden hoher Ordnung. Dennoch wird keine selektive Kopplung zwischen der fundamentalen Mode der zweiten optischen Faser und der Mode erster Ordnung der ersten optischen Faser erzielt. In dem Artikel von Whalen tritt eine Kopplung auf zwischen der fundamentalen Mode einer Einzelmodenfaser und einer Anzahl von Moden höherer Ordnung einer Mehrfachmodenfaser.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung weist einen Modenwähler auf, der eine Einrichtung bildet, um Licht zu trennen, das sich in zwei oder mehr Moden in einer Mehrfachmodenfaser ausbreitet, und um Licht von einer ausgewählten dieser Moden auf eine ausgewählte Mode einer anderen optischen Faser zu koppeln. Die vorliegende Erfindung arbeitet somit als faseroptischer Modenfilter; sie ist in Patentanspruch 1 definiert.
Die vorliegende Erfindung weist erste und zweite unterschiedliche optische Fasern auf. Die erste optische Faser hat mindestens eine Ausbreitungsmode und die zweite optische Faser hat mindestens zwei Ausbreitungsmoden sowie einen elliptischen Kern. Nur zwei der Ausbreitungsmoden haben zusammenpassende Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Eine der Moden mit einer zusammenpassenden Ausbreitungsgeschwindigkeit befindet sich in der ersten Faser, und die andere der Moden mit der zusammenpassenden Ausbreitungsgeschwindigkeit ist eine der zwei Moden in der zweiten Faser. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jede der zwei Fasern gekrümmt in einer Stützstruktur montiert, und ein Teil der Ummantelung ist von einer Seite jeder der Fasern entfernt, um ovale Manteloberflächen zu bilden, die nebeneinander angeordnet sind, um einen Wechselwirkungsbereich zu bilden. Die Kerne der Fasern haben im wesentlichen den gleichen Querschnitt innerhalb des Wechselwirkungsbereichs wie außerhalb des Wechselwirkungsbereichs, und die Nähe der Kerne in dem Wechselwirkungsbereich wird so gewählt, daß Licht, das sich in einer der zusammenpassenden Ausbreitungsmoden in einer der Fasern ausbreitet, auf die andere der zusammenpassenden Moden in der anderen Faser gekoppelt wird. Die Länge des Wechselwirkungsbereichs wird so ausgewählt, daß sie im wesentlichen eine vollständige Kopplung zwischen den zwei Ausbreitungsmoden mit den angepaßten Ausbreitungsgeschwindigkeiten bewirkt. Der verbleibende Teil der Ausbreitungsmoden in beiden Fasern hat fehlangepaßte Ausbreitungsgeschwindigkeiten derart, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit jeder der fehlangepaßten Ausbreitungsmoden sich ausreichend von den Ausbreitungsgeschwindigkeiten aller übrigen Ausbreitungsmoden unterscheidet, um eine nennenswerte optische Kopplung zwischen beliebigen fehlangepaßten Moden zu verhindern.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die zweite Faser einen inneren Kern, der einen größeren Durchmesser als der innere Kern der ersten Faser hat. Insbesondere ist die erste Faser dieses Ausführungsbeispiels eine Einzelmodenfaser, die Licht ausschließlich in der Mode erster Ordnung ausbreitet, während die zweite Faser eine Doppelmoden-(2-Moden)-Faser ist, die Licht ausschließlich in den Moden erster und zweiter Ordnung ausbreitet. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus eine der zwei Ausbreitungsmoden, die die zusammenpassenden Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben, eine Mode höherer Ordnung als die andere der zwei Moden, die die zusammenpassenden Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben. Dieses Ausführungsbeispiel kann zusätzlich Mittel zum Steuern der Orientierung des Energieverteilungsmusters in der Mode höherer Ordnung aufweisen, um dadurch die Kopplung zwischen den zwei Moden zu steuern.
Vorzugsweise ist die Ummantelung von jeder der zwei Fasern so entfernt, daß nur ein kleiner Teil der Ummantelung zwischen den ovalen Manteloberflächen jeder Faser und dem Kern jeder Faser verbleibt. Somit wird die Kopplung zwischen den zwei Fasern durch eine Dämpfungsfeld-Wechselwirkung zwischen den angepaßten Moden der zwei Fasern erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Doppelmodenfaser und eine Einzelmodenfaser zeigt, die in einem Richtungskoppler nebeneinander angeordnet sind.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht der Kopplerhälften, die die vorliegende Erfindung aufweisen, wobei sie die sich gegenüberliegenden Oberflächen zeigt, die auf den Fasern gebildet sind, die in jeder Kopplerhälfte montiert sind.
Fig. 3 ist eine Querschnitts-Endansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 1, die die Anordnungsbeziehung zwischen den Kernen und den Ummantelungen der zwei Fasern in Fig. 1 zeigt.
Fig. 4a ist eine Querschnittsansicht der optischen Einzelmodenfaser entlang der Linie 4a-4a in Fig. 1.
Fig. 4b ist eine graphische Darstellung der elektrischen Feldenergieverteilung eines optischen Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Mode der optischen Einzelmodenfaser in Fig. 4a ausbreitet.
Fig. 5a ist eine Querschnittsansicht der Doppelmodenfaser entlang der Linie 5a-5a in Fig. 1.
Fig. 5b ist eine graphische Darstellung der elektrischen Feldenergieverteilung der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode und der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode eines optischen Signals, das sich in der Doppelmodenfaser aus Fig. 5a ausbreitet.
Fig. 6a zeigt die optische Einzelmodenfaser und die optische Doppelmodenfaser in einer aneinander angelagerten Beziehung an ihren sich gegenüberliegenden Oberflächen.
Fig. 6b stellt die Wechselwirkung der Dämpfungsfelder der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der optischen Doppelmodenfaser mit der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der optischen Einzelmodenfaser graphisch dar.
Fig. 7a ist eine graphische Darstellung der Wellenform eines optischen Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Mode der optischen Einzelmodenfaser ausbreitet.
Fig. 7b ist eine graphische Darstellung der Wellenform eines optischen Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Mode der optischen Doppelmodenfaser ausbreitet.
Fig. 7c ist eine graphische Darstellung der Wellenform eines optischen Signals, das sich in der LP&sub1;&sub1;-Mode der optischen Doppelmodenfasern ausbreitet.
Fig. 8a zeigt bildlich fehlangepaßte Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten der optischen Einzelmoden- und Doppelmodenfasern, wenn die Kernachsen parallel sind.
Fig. 8b zeigt bildlich die Anpassung von Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten durch die Positionierung einer optischen Faser unter einem Winkel in bezug auf die Kernachse der anderen optischen Faser.
Fig. 9 ist eine bildliche Darstellung eines Intermoden-Modulators, der die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet, um frequenzverschobenes Licht in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode von unverschobenem Licht in der LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode zu trennen.
Fig. 10 ist ein System, das die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält, um die modale Wahlmöglichkeit der Vorrichtung zu verifizieren.
Fig. 11 ist ein System, das die vorliegende Erfindung und einen Dämpfungsfeld- Rasterreflektor aufweist, der Licht, das sich bei einer bestimmten Frequenz ausbreitet, von Licht mit anderen Frequenzen trennt.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Wie in den Figuren 1 bis 5b gezeigt ist, weist die vorliegende Erfindung eine erste optische Faser 100 und eine zweite optische Faser 110 auf. Die erste optische Faser 100 hat einen inneren Kern 102 und eine äußere Ummantelung 104. Die zweite optische Faser 110 hat einen inneren Kern 112 und eine äußere Ummantelung 114. Der Kern 102 der ersten optischen Faser 100 hat einen Kern-Brechungsindex nKern 1, und die Ummantelung 104 hat einen Mantel-Brechungsindex nMantel 1. Der Kern-Brechungsindex und der Mantel- Brechungsindex der ersten Faser 100 werden so gewählt, daß der Kern-Brechungsindex größer ist als der Mantel-Brechungsindex (d.h. nKern 1 > nMantel 1). Daher breitet sich Licht, das in dem Kern 102 wandert, mit einer langsameren Phasengeschwindigkeit aus als Licht, das in der Ummantelung 104 wandert. In gleicher Weise hat der Kern 112 der zweiten optischen Faser 110 einen Kern-Brechungsindex nkern 2, und die Ummantelung 114 hat einen Mantel-Brechungsindex nMantel 2, die so gewählt werden, daß der Kern-Brechungsindex größer ist als der Mantel-Brechungsindex (d.h. nKern2 > nMantel 2). In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Kern-Brechungsindex, der Mantel-Brechungsindex und der Durchmesser des Kerns der ersten optischen Faser 100 so gewählt, daß die erste optische Faser 100 eine optische Einzelmodenfaser mit einer ausgewählten optischen Frequenz f&sub0; ist. Der Kern-Brechungsindex, der Mantel-Brechungsindex und der Durchmesser des Kerns der zweiten optischen Faser 110 sind so gewählt, daß die zweite optische Faser 110 eine optische Doppelmoden- (d.h. eine Zweimoden-)Faser mit der gleichen ausgewählten optischen Frequenz f&sub0; ist. Somit breitet die erste optische Faser 100 Licht nur in der LP&sub0;&sub1;-Mode erster Ordnung bei der ausgewählten optischen Frequenz aus. Die zweite optische Faser 110 breitet Licht in der LP&sub0;&sub1;-Mode erster Ordnung aus, und sie breitet Licht auch in einer Mode höherer Ordnung aus, nämlich in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode zweiter Ordnung.
Die erste optische Faser 100 ist gekrümmt in einem ersten Trägerblock 120 montiert. Die zweite optische Faser ist gekrümmt in einem zweiten Trägerblock 130 montiert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der erste und der zweite Trägerblock 120, 130 in Übereinstimmung mit der Lehre nach U.S.-Patent Nr. 4 536 058 konstruiert, das durch Bezugnahme darauf hier aufgenommen wird. Der erste Trägerblock 120 hat eine flache Trägeroberfläche 140, in die ein gekrümmter Schlitz 142 geschnitten ist, um eine Führung für die erste optische Faser 100 zu bilden. Wie es in U.S.-Patent Nr. 4 536 058 beschrieben ist, hat der Schlitz 142 an jedem der zwei Enden des ersten Trägerblocks 120 eine Tiefe in bezug auf die Trägeroberfläche 140, die größer ist als die Tiefe in der Mitte der Trägeroberfläche 140, so daß ein Teil der Ummantelung 104 an einer Seite der ersten optischen Faser 100 in der Nähe der Trägeroberfläche 140 angeordnet ist, wenn die erste optische Faser 100 in dem Schlitz 142 positioniert ist. Die Trägeroberfläche 140 wird so poliert, daß die Ummantelung 104 der ersten optischen Faser 100 schrittweise mit der Oberfläche 140 entfernt wird, um eine Stirnfläche 144 an der Ummantelung 104 zu bilden, die eine im allgemeinen ovale Form hat und die koplanar mit der Oberfläche 140 ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Polierung wird fortgesetzt, bis ein ausreichender Anteil der Ummantelung 104 entfernt worden ist, so daß sich die Stirnfläche 144 innerhalb weniger Mikrometer von dem Kern 102 der ersten optischen Faser 100 befindet. In gleicher Weise wird ein gekrümmter Schlitz 152 in einer Trägeroberfläche 150 des zweiten Trägerblocks 130 gebildet und die zweite optische Faser 110 in dem Schlitz 152 positioniert. Die Trägeroberfläche 150 und die Ummantelung 114 der zweiten Faser 110 werden in der oben beschriebenen Weise poliert, um eine Stirnfläche 154 zu bilden.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Stirnfläche 144 der ersten optischen Faser 100 in gegenüberliegender Beziehung zu der Stirnfläche 154 der zweiten optischen Faser 110 positioniert, um einen Wechselwirkungsbereich 156 für eine Übertragung von Licht zwischen den Fasern zu bilden. Der Kern 102 der ersten optischen Faser 100 und der Kern 112 der zweiten optischen Faser 110 sind durch die dünne Schicht der Ummantelung 104, die zwischen der Stirnfläche 144 und dem Kern 102 verbleibt, und durch die dünne Schicht der Ummantelung 114, die zwischen der Stirnfläche 154 und dem Kern 112 verbleibt, mit Abstand voneinander angeordnet. Die Entfernung der Ummantelung wird vorzugsweise in Übereinstimmung mit dem Verfahren durchgeführt, das in U.S.-Patent Nr. 4 536 058 beschrieben ist. Der in U.S.-Patent Nr. 4 536 058 beschriebene Öltropfentest wird vorteilhafterweise dazu verwendet, den Betrag entfernter Ummantelung und die Nähe der Stirnflächen 144, 154 zu den Kernen 102, 112 zu bestimmen. Wie im folgenden diskutiert wird, wird die Ummantelung von der ersten Faser 100 und der zweiten Faser 110 entfernt, bis die Dämpfungsfelddurchdringung der Stirnflächen 144, 154 für die ausgewählten geführten Moden der Fasern ausreichend ist, um eine Kopplung von Licht zwischen den zwei geführten Moden zu bewirken.
Wenn die Stirnfläche 144 und die Stirnfläche 154 überlagert werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, konvergieren die erste Faser 100 und die zweite Faser 110 in der Nähe der Mitte der Trägerblöcke 120 und 130, und sie divergieren schrittweise mit zunehmender Entfernung von dem Mittelpunkt der Blöcke 120 und 130. Die Rate der Konvergenz und der Divergenz der zwei Fasern wird durch den Radius der Krümmung der zwei gekrümmten Nuten bestimmt, der in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel so gewählt wird, daß er 25 cm beträgt. Dieser Radius der Krümmung gestattet, daß die Kerne der zwei Fasern in geringer Entfernung voneinander angeordnet werden, damit die Dämpfungsfelder wechselwirken können, während die Länge des Wechselwirkungsbereichs 156 begrenzt wird. Wie es detailliert von Digonnet, et al. in "Analysis of Tunable Single Mode Optical Fiber Coupler", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE - 18, Nr. 4, April 1982, Seiten 746 - 754, und in U.S.-Patent Nr. 4 556 279 erläutert ist, deren Lehren durch Bezugnahme darauf hier aufgenommen werden, ist die Länge eines Wechselwirkungsbereichs zweier nebeneinander angeordneter Fasern prinzipiell durch die Krümmungsradien der Fasern definiert, während die Kopplungsstärke prinzipiell durch die Nähe der Kerne in dem Wechselwirkungsbereich definiert ist, und insbesondere durch den minimalen Kernabstand (d.h. den Abstand zwischen den Kernen an den Mittelpunkten der Stirnflächen 144 und 154). Die Länge des Wechselwirkungsbereichs ist vorzugsweise mindestens eine Größenordnung größer als der Kerndurchmesser jeder der Fasern, so daß ein beträchtlicher Anteil von Licht übertragen wird, wobei vorzugsweise eine vollständige Übertragung von Licht zwischen den zwei Fasern stattfindet. Die Länge des Wechselwirkungsbereichs steigt mit steigenden Krümmungsradien, und die Kopplungsstärke steigt mit abnehmender Kernentfernung. Die Krümmungsradien werden vorzugsweise so gewählt, daß sie ausreichend groß sind, damit nur ein geringer oder gar kein Krümmungseffekt in die Fasern eingeführt wird. Darüber hinaus ist der Kernabstand vorzugsweise nicht kleiner als Null, so daß die Durchmesser der Kerne 102, 112 über die Länge der Vorrichtung der Erfindung einheitlich sind und daß somit keine modalen Störungen durch Veränderungen in den Eigenschaften der Fasern eingeführt werden.
Die Betriebsweise der vorliegenden Erfindung wird durch Bezugnahme auf die Figuren 4a -4b, 5a - 5b, 6a - 6b, 7a - 7c und 8a - 8b besser verständlich. Die Fig. 4a und 4b zeigen die elektrische Feldintensitätsverteilung für die LP&sub0;&sub1; -Ausbreitungsmode eines optischen Signals, das sich in der optischen Einzelmodenfaser 100 ausbreitet. Wie in der Fig. 4b dargestellt ist, ist die Feldintensitätsverteilung durch ein Diagramm 200 der elektrischen Feldintensitätsverteilung definiert, die ein Maximum 202 im wesentlichen in der Mitte des Kerns 102 hat. Die Intensität nimmt ab, wenn die Entfernung von dem Mittelpunkt des Kerns 102 ansteigt. Der größte Teil der elektrischen Feldenergie der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode ist in dem Kern 102 der Faser 100 konzentriert. Ein Teil der elektrischen Feldenergie erstreckt sich jedoch in die Ummantelung 104, wie es durch einen Feldanteil 204 und einen Feldanteil 206 der Kurve 200 dargestellt ist. Der Anteil der elektrischen Feldenergie außerhalb des Kerns 102 wird als das Dämpfungsfeid bezeichnet. Die Wechselwirkung des Dämpfungsfelds zweier geführter Moden innerhalb des Wechselwirkungsbereichs 156 bildet die Mittel zur Kopplung optischer Energie zwischen den zwei Fasern 100, 110, wie es in U.S.-Patent Nr. 4 536 058 beschrieben ist. Der Betrag der Kopplung wird prinzipiell durch die Länge des Wechselwirkungsbereichs und den Abstand zwischen den jeweiligen Kernen der zwei Fasern bestimmt.
Die Figuren 5a und 5b zeigen die elektrische Feldintensitätsverteilung für Licht, das sich in den LP&sub0;&sub1;- und den LP&sub1;&sub1;-Moden der Doppelmodenfaser 110 bei der ausgewählten Frequenz ausbreitet. Die elektrische Feldintensitätsverteilung der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode ist durch eine Kurve 220 dargestellt, und die elektrische Feldverteilung der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode ist durch eine Kurve 222 dargestellt. Wie oben in bezug auf die Kurve 200 in Fig. 4b diskutiert wurde, ist das elektrische Feld eines optischen Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode ausbreitet, in dem Kern 112 in der Nähe der Mitte der Faser 110 konzentriert, wie es durch ein Maximum 224 dargestellt ist, und die Intensität nimmt ab, während die Entfernung von dem Mittelpunkt des Kerns 112 ansteigt. Ein Teil der elektrischen Feldintensitätsverteilung der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode erstreckt sich als ein Dämpfungsfeld in die Ummantelung 114, was als Abschnitte 226 und 228 bezeichnet wird.
Die Kurve 222 der elektrischen Feldintensitätsverteilung des Lichts, das sich in der LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode ausbreitet, hat eine minimale Intensität 230 in der Nähe des Mittelpunkts des Kerns 112, und die Intensität steigt schrittweise an, wenn die Entfernung von dem Kern 112 ansteigt. Die maximale elektrische Feldintensität tritt an Maxima 232 und 234 auf, die sich in der Nähe des Übergangs zwischen dem Kern 112 und der Ummantelung 114 der optichen Faser 110 befinden. Somit erstreckt sich das Dämpfungsfeld eines optischen Signals, das sich in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode ausbreitet, und wobei das Dämpfungsfeld durch Abschnitte 236 und 238 der elektrischen Feldenergieverteilung dargestellt wird, weiter in die Ummantelung hinein, als das Dämpfungsfeld des Teils eines optischen Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Mode der zweiten optischen Faser 110 ausbreitet.
Wie Fig. 5b zeigt, hat das sich in der L&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 ausbreitende optische Signal ein sehr kleines Dämpfungsfeld, das sich über den Kern 112 der Faser 110 hinaus erstreckt (siehe die Abschnitte 226 und 228 der Kurve 220). Im Gegensatz dazu erstreckt sich das Dämpfungsfeld eines sich in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode ausbreitenden optischen Signals stärker in die Ummantelung 114 der zweiten optischen Faser 110 hinein (siehe die Abschnitte 236 und 238 der Kurve 222). Wenn ein Teil der Ummantelung von jeder der zwei optischen Fasern entfernt wird, so daß die Kerne 112 und 102 dicht nebeneinander angeordnet werden können, steht bei der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode eine relativ große Dämpfungsfeldintensität zur Verfügung, um mit dem Kern 102 der ersten optischen Faser 100 in Wechselwirkung zu treten. Dieses ist in den Fig. 6a und 6b dargestellt, in denen die Kurven 220 und 222 der elektrischen Feldintensitätsverteilung der zweiten optischen Faser 110 in Relation zu der Kurve 200 der elektrischen Feldintensitätsverteilung der ersten optischen Faser 100 gezeigt sind, wenn die zwei Fasern mit ihren jeweiligen Stirnflächen 154 und 144 nebeneinander angeordnet sind. Wie dargestellt, gibt es im wesentlichen keinen Überlapp der elektrischen LP&sub0;&sub1;-Feldintensitätsverteilung 220 der zweiten optischen Faser 110 mit der elektrischen LP&sub0;&sub1;-Feldintensitätsverteilung 200 der ersten optischen Faser 100. Es gibt jedoch einen relativ großen Überlapp des Dämpfungsfeldabschnitts 238 der elektrischen LP&sub1;&sub1;-Feldintensitätsverteilung 222 der zweiten optischen Faser 110 mit dem Dämpfungsfeldabschnitt 204 der elektrischen LP&sub0;&sub1;-Feldintensitätsverteilung 200 der ersten optischen Faser 100. Die LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 und die LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100 wechselwirken somit stark miteinander verglichen mit der Wechselwirkung zwischen den LP&sub0;&sub1;-Moden der zwei Fasern. Es wurde gefunden, daß in einem Ausführungsbeispiel, wenn der Abstand zwischen den Kernen der zwei Fasern so gewählt wird, daß er ungefähr 2,5 mal dem Radius des Kerns 112 der zweiten optischen Faser 110 entspricht, die elektrische Feldamplitude der LP&sub1;&sub1;-Mode größer ist als 10 mal die elektrische Feldamplitude der LP&sub0;&sub1;-Mode der zweiten optischen Faser 110 bei einer normalisierten Frequenz von V = 2,6. Aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen der LP&sub1;&sub1;-Mode der Doppelmodenfaser 110 und der LP&sub0;&sub1;-Mode der Einzelmodenfaser 100 wird ein relativ großer Anteil optischer Energie zwischen der LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode der Faser 110 und der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der Faser 100 gekoppelt. Da es im wesentlichen keine Wechselwirkung zwischen den LP&sub0;&sub1;-Moden der zwei Fasern 100, 110 gibt, wird im wesentlichen keine optische Energie zwischen der LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode der Faser 110 und der LP&sub0;&sub1;-Mode der Faser 100 gekoppelt. Wie im folgenden diskutiert wird, wird eine Kopplung zwischen der LP&sub1;&sub1;-Mode der Faser 110 und der LP&sub0;&sub1;-Mode der Faser 100 verstärkt, indem die Fasern so gewählt werden, daß die Ausbreitungskonstanten dieser zwei Moden gleich sind. In ähnlicher Weise wird eine Kopplung zwischen den LP&sub0;&sub1;-Moden der Fasern verhindert, indem sichergestellt wird, daß die LP&sub0;&sub1;- Moden der Fasern im wesentlichen unterschiedliche Ausbreitungskonstanten haben.
Der Fachmann erkennt, daß die elektrische Feldintensitätsverteilung der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitung ein Strahlungskeulenmuster hat, das sich mit der Ausrichtung der optischen Doppelmodenfaser 110 verändert. Um eine maximale Kopplung zu erzielen, sollte eine der Strahlungskeulen so ausgerichtet werden, daß sie der Stirnfläche 154 benachbart ist, so daß sich die Strahlungskeule in der Nähe der optischen Einzelmodenfaser 100 befindet. Ein Mittel zur Orientierung der Strahlungskeulen für eine maximale Kopplung besteht darin, einen Faser- Phasenverschieber (nicht dargestellt) zu verwenden, um die Phase der vier echten Eigenmoden anzupassen, die die LP&sub1;&sub1;-Modennäherung ausmachen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die optische Doppelmodenfaser 110 eine Doppelmodenfaser mit einem elliptischen Kern, bei der die echten Eigenmoden eine keulenartige Form haben. Die Eigenmoden wandern ohne Veränderung durch die Faser, so daß das Strahlungskeulenmuster für die LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode so ausgerichtet werden kann, daß eine maximale Kopplung mit der Einzelmodenfaser 100 möglich ist. Das Strahlungskeulenmuster für die LP&sub1;&sub1;-Mode wird für eine maximale Kopplung während des Durchgangs durch den Dämpfungskopplungsbereich angepaßt, indem eine Polarisationssteuerungseinrichtung oder dergleichen verwendet wird.
Wie oben diskutiert wurde, ist die Energie eines optischen Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;- Mode einer Faser ausbreitet, überwiegend innerhalb des Kerns der Faser eingeschlossen. Somit wandert ein optisches Signal in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode bei einer Phasenausbreitungsgeschwindigkeit, die hauptsächlich durch den Brechungsindex des Kerns der Faser bestimmt wird. Der effektive Brechungsindex, der von dem Licht wahrgenommen wird, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode ausbreitet, hat einen Wert dicht bei dem Wert des Brechungsindex des Kerns. Im Gegensatz zu der LP&sub0;&sub1;-Mode breitet die LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode einen größeren Anteil optischer Energie in der Ummantelung der Faser aus. Die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode wandernden optischen Signals wird somit durch einen effektiven Brechungsindex bestimmt, der einen Wert kleiner als der Brechungsindex des Kerns und größer als der Brechungsindex der Ummantelung hat. Der effektive Brechungsindex für Licht in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode hat dementsprechend einen Wert, der kleiner ist als der für Licht in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode. Die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode wandernden optischen Signals ist somit schneller als die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines in der LP&sub0;&sub1;-Mode wandernden optischen Signals. Aufgrund der Differenz der Phasengeschwindigkeiten der LP&sub0;&sub1;- und der LP&sub1;&sub1;-Moden koppeln diese Moden nicht einfach; vielmehr neigen sie dazu, als zwei unabhängige optische Bahnen zu wirken. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine selektive Kopplung zwischen der LP&sub1;&sub1;-Mode der Faser 110 und der LP&sub0;&sub1;-Mode der Faser 100 durch die Verwendung unterschiedlicher Fasern erzielt, so daß die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit der LP&sub1;&sub1;-Mode der Faser 110 zu der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit der LP&sub0;&sub1;-Mode der Faser 100 paßt, während die Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten aller anderen Modenpaare nicht zueinander passen.
Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Mode der ersten optischen (Einzelmoden-)Faser 100 ausbreitet, teilweise durch eine Kombination des Brechungsindex des Kerns 102, des Brechungsindex der Ummantelung 104 und des Durchmessers des Kerns 102 bestimmt wird. In ähnlicher Weise werden die Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten optischer Signale, die sich in der LP&sub0;&sub1;-Mode und der LP&sub1;&sub1;-Mode der zweiten optischen (Doppelmoden-)Faser 110 ausbreiten, durch die Kombination des Brechungsindex des Kerns 122, des Brechungsindex der Ummantelung 124 und des Durchmessers des Kerns 122 bestimmt. Wie oben dargelegt wurde, ist die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals, das sich in der LP&sub1;&sub1;-Mode in der optischen Faser 110 ausbreitet, größer als die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Mode der optischen Faser 110 ausbreitet. In der vorliegenden Erfindung werden die erste optische Faser 100 und die zweite optische Faser 110 so ausgewählt, daß sie Eigenschaften (d.h. Brechungsindizes und Kerndurchmesser) derart haben, daß die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 zu der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100 paßt. Somit ist die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines in der LP&sub0;&sub1;- Mode in der zweiten optischen Faser wandernden optischen Signals langsamer als die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines in der LP&sub1;&sub1;-Mode der zweiten Faser 110 wandernden optischen Signals, und sie ist außerdem langsamer als die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines in der LP&sub0;&sub1;-Mode der ersten optischen Faser 100 wandernden optischen Signals. Die Beziehung zwischen den Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten ist in den Fig. 7a, 7b und 7c dargestellt.
In Fig. 7a repräsentiert eine wandernde Welle 250 die Phasenausbreitung eines Signals, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen (Einzelmoden-) Faser 100 ausbreitet. Die wandernde Welle 250 hat eine erste Wellenlänge L&sub1;, die definiert ist durch eine Geschwindigkeit V&sub1; des optischen Signals in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der Faser 100 sowie durch die ausgewählte optische Frequenz f&sub0; (d.h. L&sub1; = V&sub1;/f&sub0;). In ähnlicher Weise zeigt Fig. 7b eine wandernde Welle 252, die die Phasenausbreitung eines Signals repräsentiert, das in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen (Doppelmoden-)Faser 110 bei der ausgewählten optischen Frequenz f&sub0; wandert. Die wandernde Welle 252 hat eine Wellenlänge L&sub2;, die definiert ist durch eine Geschwindigkeit V&sub2; des optischen Signals in der LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 sowie durch die ausgewählte optische Frequenz f&sub0; (d.h. L&sub2; = V&sub2;/f&sub0;). Fig. 7c zeigt eine wandernde Welle 254, die die Phasenausbreitung eines Signals repräsentiert, das in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der optischen Faser 110 bei der ausgewählten optischen Frequenz f&sub0; wandert. Die wandernde Welle 254 hat eine Wellenlänge L&sub3;, die definiert ist durch eine Geschwindigkeit V&sub3; des optischen Signals in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 sowie durch die ausgewählte optische Frequenz f&sub0; (d.h. L&sub3; = V&sub3;/f&sub0;). Wie oben dargelegt wurde, werden die Eigenschaften der ersten optischen Faser 100 und der zweiten optischen Faser 110 so gewählt, daß die Geschwindigkeit V&sub1; im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit V&sub3; ist. Die Geschwindigkeit V&sub2;, die kleiner sein muß als die Geschwindigkeit V&sub3;, ist somit kleiner als die Geschwindigkeit V&sub1;. Somit paßt die Wellenlänge L&sub3; zu der Wellenlänge L&sub1;, während die Wellenlänge L&sub2; nicht zu der Wellenlänge L&sub1; paßt. Wie in den Fig. 7a und 7c dargestelit ist, hat demgemäß Licht, das in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 wandert, eine im wesentlichen feste Phasenbeziehung zu Licht, das in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100 wandert. Wie in den Fig. 7a und 7b dargestellt ist, hat andererseits Licht, das in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 wandert, eine sich kontinuierlich verändernde Phasenbeziehung zu Licht, das in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100 wandert.
Um Licht von einer Mode einer Faser auf eine Mode einer anderen Faser zu koppeln, wurde gezeigt, daß die Moden durch ihre Dämpfungsfelder über eine Wechselwirkungslänge miteinander wechselwirken sollten, wobei die Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten der zwei optischen Signale im wesentlichen gleich sein sollten. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit V&sub3; der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 bei der ausgewählten Frequenz im wesentlichen gleich der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit V&sub1; der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100. Somit bildet die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein Mittel zur Kopplung optischer Energie zwischen der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode in der zweiten optischen Faser 110 und der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode in der ersten optischen Faser 100. Ein optisches Signal, das sich in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode in der zweiten optischen Faser 110 ausbreitet, wird nicht auf die erste optische Faser 100 gekoppelt, da die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit V&sub2; für Licht, das in der LP&sub0;&sub1;-Mode in der zweiten optischen Faser 110 wandert, nicht zu der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit V&sub2; für Licht paßt, das in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100 wandert. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht somit eine Wahl zwischen der optischen Energie, die in der LP&sub0;&sub1;-Mode der zweiten optischen Faser 110 wandert, und einem optischen Signal, das in der LP&sub1;&sub1;-Mode der zweiten optischen Faser 110 wandert. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt ist, optische Energie in ein erstes Ende 300 der zweiten optischen Faser 110 in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode, die durch einen Pfeil 302 repräsentiert wird, und in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode, die durch einen Pfeil 304 repräsentiert wird, eingespeist wird, wird dementsprechend die optische Energie in der LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode in die erste optische Faser 100 gekoppelt, und sie tritt aus einem Ende 310 der ersten optischen Faser 100 in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100 aus, wie es durch einen Pfeil 312 repräsentiert wird. Im Gegensatz dazu bleibt die optische Energie in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 in der zweiten optischen Faser 110, und sie tritt aus einem zweiten Ende 320 der zweiten optischen Faser 110 aus, wie es durch einen Pfeil 322 repräsentiert wird. Die erste optische Faser 100 liefert somit ein Ausgangssignal, das dem optischen Signal entspricht, das in den Wechselwirkungsbereich 156 der zwei Fasern einfällt und das sich in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 ausbreitet.
Die zuvor genannten Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind dahingehend umkehrbar, daß ein optisches Signal, das in ein Ende der ersten optischen Faser 100 in der LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100 eingespeist wird, mit der LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 in dem Wechselwirkungsbereich zwischen der ersten Stirnfläche 144 und der zweiten Stirnfläche 154 wechselwirkt, um optische Energie in die LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 zu koppeln. Dieser Umkehreffekt hat Vorteile bei vielen Anwendungsfällen.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann fein abgestimmt werden, indem die zwei Fasern 100, 110 so ausgerichtet werden, daß die Längsachsen der zwei Fasern nicht exakt parallel verlaufen. Wenn die Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten V&sub1; und V&sub3; bei der ausgewählten Frequenz nicht vollkommen gleich sind, kann somit die zweite optische Faser 110 beispielsweise so positioniert werden, daß die Längsachse des Kerns 112 der zweiten optischen Faser 110 einen Winkel in bezug auf die Längsachse des Kerns 102 der ersten optischen Faser 100 hat, so daß die Größe der Komponente der Phasengeschwindigkeit V&sub3; in der Richtung der Längsachse des Kerns 102 der ersten optischen Faser 100 die gleiche ist wie die Phasengeschwindigkeit V&sub1; entlang der Längsachse des Kerns 102 der ersten optischen Faser 100. Dieses ist in den Fig. 8a und 8b dargestellt, in denen ein Vektor 402 die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit V&sub3; der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 (in Phantomlinien dargestellt) repräsentiert und ein Vektor 400 die Phasenausbreitungsgeschwindigkei V&sub1; der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode in der ersten optischen Faser 100 (in Phantomlinien dargestellt) repräsentiert. In Fig. 8a sind die zwei Vektoren parallel angeordnet, und die Größe des Vektors 400 ist kleiner als die Größe des Vektors 402. Somit passen die Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten V&sub3; und V&sub1; nicht zusammen und eine wirksame Kopplung kann nicht auftreten. In Fig. 8b ist die zweite optische Faser 110 unter einem kleinen Winkel in bezug auf die erste optische Faser 100 ausgerichtet, so daß der Phasenausbreitungsgeschwindigkeitsvektor 400 unter einem kleinen Winkel in bezug auf den Phasenausbreitungsgeschwindigkeitsvektor 402 ausgerichtet ist. Die Komponente des Phasenausbreitungsgeschwindigkeitsvektors 402 in der Richtung des Phasenausbreitungsgeschwindigkeitsvektors 400 ist in gestrichelten Linien als ein Vektor 402' dargestellt, der eine Geschwindigkeit V&sub3;' repräsentiert. Der Vektor 402' hat im wesentlichen die gleiche Größe wie der Vektor 400, und somit passen die durch die Vektoren 402' und 400 repräsentierten Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten V&sub3;' und V&sub1; unter dem dargestellten Winkel zusammen. Somit kann eine effiziente Kopplung von der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 110 auf die LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 100 auftreten. Obwohl der Winkel zwischen den Fasern für eine klare Darstellung als relativ großer Winkel in Fig. 8b dargestellt ist, wird es bevorzugt, daß der Winkel zwischen den zwei Fasern 100 und 110 sehr klein ist, so daß die Fasern an dem Wechselwirkungsbereich 156 im wesentlichen parallel sind. In der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, große Winkel zwischen den Fasern zu vermeiden, um eine nennenswerte Verringerung der Wechselwirkungslänge zu verhindern. So wie sie hier verwendet wird, ist die Wechselwirkungslänge die Länge in der Richtung der Faserachse einer der Fasern (z.B. der Faser 100), über die der Kern der einen Faser (z.B. der Faser 100) innerhalb des Dämpfungsfelds der anderen Faser (z.B. der Faser 110) positioniert ist.
Eine beispielhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung ist für einen Intermoden- Frequenzverschieber 500 in Fig. 9 dargestellt. Der Intermoden-Frequenzverschieber 500 weist vorzugsweise eine optische Eingangsfaser 600 auf, die vorteilhafterweise eine optische Einzelmodenfaser ist. Die optische Eingangsfaser 600 ist stumpf mit einer optischen Doppelmodenfaser 602 verbunden (butt-spliced). Ein erster Abschnitt der ersten optischen Doppelmodenfaser 602 ist zu einer Spule 604 geformt, die in einer in Fachkreisen bekannten Art und Weise als Modenabstreifer arbeitet. Ein zweiter Abschnitt der optischen Doppelmodenfaser 602 verbindet den Modenabstreifer 604 mit einem Intermoden-Frequenzverschieber 606. Der Intermoden-Frequenzverschieber 606 ist vorzugsweise entsprechend der parallel anhängigen Patentanmeldung Serial No. 820 513 konstruiert, die den Titel "Fiber Optic Inter-mode Coupling Single Side Band Frequency Shifter" trägt, am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde und auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, wobei ihre Offenbarung hier durch Bezugnahme darauf aufgenommen wird. Ein Wandler 610 induziert Schwingungen in die Faser 602, die sich als eine Biegewelle, die eine Serie wandernder Mikrokrümmungen aufweist, in einer einzigen Richtung 614 von dem Wandler 610 weg ausbreiten. Der Intermoden-Frequenzverschieber 606 arbeitet so, daß Licht von einer ersten Ausbreitungsmode (z.B. der LP&sub0;&sub1;-Mode) auf eine zweite Ausbreitungsmode (z.B. der LP&sub1;&sub1;-Mode) gekoppelt wird und daß das Licht in der Frequenz um einen Betrag verschoben wird, der durch ein Modulationssignal bestimmt wird, das an den Wandler 610 des Frequenzverschiebers 606 von einer Modulationsquelle 612 angelegt wird. Nach dem Durchlaufen des Frequenzverschiebers 606 verbindet die optische Doppelmodenfaser 602 den Frequenzverschieber 606 mit einem Modenwähler 640, der entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. In dem Modenwähler 640 ist die optische Doppelmodenfaser 602 in einem Wechselwirkungsbereich 652 in der oben beschriebenen Art und Weise neben einer optischen Einzelmodenfaser 650 angeordnet. Die optische Doppelmodenfaser 602 hat einen Ausgangsendabschnitt 654. Die optische Einzelmodenfaser 650 hat einen Ausgangsendabschnitt 656.
Der Intermoden-Frequenzmodulator arbeitet in folgender Weise. Ein durch einen Pfeil 660 repräsentiertes optisches Signal wird in die optische Eingangsfaser 600 eingespeist. Das optische Signal breitet sich vorzugsweise nur innerhalb der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der optischen Eingangsfaser 600 aus. Das optische Signal wandert durch die optische Eingangsfaser 600 und wird in die optische Doppelmodenfaser 602 gekoppelt, wobei es innerhalb der optischen Doppelmodenfaser 602 in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode wandert. Jedes optische Signal, das sich in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode in der Faser 602 ausbreitet, wird in dem Modenabstreifer 604 in einer in Fachkreisen bekannten Art und Weise von der optischen Doppelmodenfaser 602 abgestreift. Nach dem Durchlaufen des Modenabstreifers 604 wandert das in der optischen Doppelmodenfaser 602 verbleibende optische Signal somit nur in der LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode. Das optische Signal wandert in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode durch die optische Doppelmodenfaser 602 zu dem Frequenzverschieber 606. In dem Frequenzverschieber 606 wird das sich in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode ausbreitende optische Signal auf die LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode gekoppelt und um einen Betrag in der Frequenz verschoben, der durch die Frequenz der Modulationsquelle 612 bestimmt wird. Wie in der oben genannten parallel anhängigen Patentanmeldung Serial No. 820 513 dargelegt ist, kann das auf die LP&sub1;&sub1; -Ausbreitungsmode gekoppelte optische Signal entsprechend der Ausbreitungsrichtung der wandernden Biegewellen in dem Frequenzverschieber 606 in der Frequenz nach oben oder nach unten verschoben werden. Das frequenzverschobene Licht in der LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode und jedes in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode verbleibende Licht wandert durch die optische Doppelmodenfaser 602 von dem Frequenzverschieber 606 zu dem Modenwähler 640. Innerhalb des Modenwählers 640 wird das in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode wandernde Licht auf die LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der optischen Einzelmodenfaser 650 gekoppelt und wandert zu dem Endabschnitt 656, wo es als frequenzverschobenes Licht austritt, wie es durch den Pfeil 662 dargestellt ist. Das mit der ursprünglichen unverschobenen Frequenz in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode in der Faser 602 wandernde Licht breitet sich zu dem Endabschnitt 654 der optischen Doppelmodenfaser 602 aus und tritt als unverschobenes Licht aus, was durch einen Pfeil 664 dargestellt ist.
Wie oben dargelegt wurde, ist der Modenwähler 640 der vorliegenden Erfindung umkehrbar, so daß ein optisches Signal in den Endabschnitt 656 der optischen Faser 650 in der LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode eingespeist werden kann. Das Licht in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der optischen Einzelmodenfaser 650 wird innerhalb des Modenwählers 640 an die LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode der optischen Doppelmodenfaser 602 gekoppelt. Danach wandert das Licht durch die optische Faser 602 zu dem Frequenzverschieber 606, wo es in der Frequenz verschoben und auf die LP&sub0;&sub1;-Mode der optischen Faser 602 gekoppelt wird. Das optische Signal wandert von dem Frequenzverschieber 606 durch die optische Faser 602 zu dem Modenabstreifer 604, wo jedes in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode verbleibende optische Signal von der optischen Faser 602 abgestreift wird. Das von dem Modenabstreifer 604 zu der optischen Einzelmodenfaser 600 (die jetzt als eine optische Ausgangsfaser arbeitet) wandernde optische Signal wird somit nur in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode ausgebreitet, und es wird in der Frequenz von dem an dem Endabschnitt 656 der optischen Faser 650 eingespeisten optischen Signal verschoben.
Obwohl sie oben in bezug auf eine Einzelmodenfaser und eine Doppelmodenfaser beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung auch dazu verwendet werden, optische Energie wahlweise zwischen Moden in zwei verschiedenen Multimodenfasern zu koppeln. Beispielsweise kann optische Energie von der LP&sub0;&sub1;-Mode einer ersten Doppelmodenfaser auf die LP&sub1;&sub1;-Mode einer zweiten optischen Doppelmodenfaser gekoppelt werden. Dieses ist in Fig. 10 für eine erste Doppelmodenfaser 700 und eine zweite Multimodenfaser 710 dargestellt.
Die Fasern 700, 710 werden so gewählt, daß die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals in der LP&sub0;&sub1;-Mode der ersten Doppelmodenfaser 700 im wesentlichen gleich der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten Doppelmodenfaser 710 ist. Die erste Faser 700 und die zweite Faser 710 sind entsprechend der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, konstruiert, indem die zwei Fasern in einer ersten Kopplerhälfte 720 und einer zweiten Kopplerhälfte 730 positioniert sind, wobei erste und zweite Stirnflächen an den zwei Fasern gebildet werden, und wobei die zwei Fasern an den Stirnflächen nebeneinander angeordnet werden, wie es schematisch in Fig. 10 dargestellt ist. In einem Ausführungsbeispiel werden die zwei Fasern von ITT hergestellt. Die erste Faser 700 hat einen Kern mit einem Durchmesser von ungefähr 3,8 Mikrometern und eine numerische Apertur von 0,12. Die zweite Faser hat einen Kerndurchmesser von 5,6 Mikrometern und eine numerische Apertur von ungefähr 0,08. Beide Fasern haben Grenzwellenlängen in der Größenordnung von 580 nm. Ein Argon-Ionenlaser 740 wird als Quelle optischer Energie bei einer Wellenlänge von 4880 Angström verwendet. Bei dieser Wellenlänge breiten sowohl die erste Faser 700 als auch die zweite Faser 710 optische Energie in den Moden sowohl der ersten als auch der zweiten Ordnung aus. Das optische Signal von dem Laser 740 wird als Eingangssignal an ein erstes Ende 750 der ersten Faser 700 geliefert. Um die erste Faser 700 entsprechend der vorliegenden Erfindung zu betreiben, ist ein Teil der ersten optischen Faser 700 zu einem Modenabstreifer 752 geformt, der enge Krümmungen aufweist, um jegliche Energie zu entfernen, die sich in der LP&sub1;&sub1;-Mode zweiter Ordnung ausbreitet. Somit befindet sich die einzige Energie, die sich zu dem Abschnitt der ersten Faser 700 in der Koppelhälfte 720 hin ausbreitet, in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 10 weist vorzugsweise eine Polarisationssteuereinrichtung 754 zwischen dem Modenabstreifer 752 und der Kopplerhälfte 720 auf, so daß die Polarisation der optischen Energie in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode, die in die Kopplerhälfte 720 einfällt, steuerbar ist. Wie oben beschrieben wurde, wird das Licht, das auf den Abschnitt der ersten Faser 700 in dem Koppler 720 in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode einfällt, auf die zweite Faser 710 in der LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode gekoppelt. Die Phasengeschwindigkeit der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode in der zweiten Faser 710 paßt nicht mit der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit der optischen Energie in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 700 zusammen. Somit wird im wesentlichen keine optische Energie auf die LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 710 übertragen.
Nach dem Durchlaufen der Kopplerhälfte 720 wird das in der ersten optischen Faser 700 wandernde Licht an einem zweiten Ende 760 der ersten optischen Faser 700 abgegeben, wie es durch einen Pfeil 762 angedeutet ist, und es wird auf einen Schirm 764 projiziert, wo das Feldmuster des Ausgangslichts beobachtet werden kann. In ähnlicher Weise wird das auf die zweite optische Faser 710 gekoppelte Licht an einem Ende 770 der zweiten optischen Faser 710 ausgegeben, wie es durch einen Pfeil 772 angedeutet ist, und es wird ebenfalls auf den Schirm 764 projeziert. Beobachtungen der Feldmuster, die in den entsprechend der Fig. 10 konstruierten Ausführungsbeispielen somit auf den Schirm 764 projeziert werden, zeigen, daß das Feldmuster, das durch das von dem Ende 760 der ersten optischen Faser 700 abgegebene Licht erzeugt wird, dem LP&sub0;&sub1;-Modenmuster entspricht. In ähnlicher Weise entspricht das auf den Schirm 764 von dem Ende 770 der zweiten optischen Faser 710 projezierte Licht dem Feldmuster für eine LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode.
Eine Messung der Leistung des von dem zweiten Ende 760 der ersten optischen Faser 700 abgegebenen Lichts und des von dem Ende 770 der zweiten optischen Faser 710 abgegebenen Lichts hat gezeigt, daß ein Kopplungswirkungsgrad von mindestens 97 % erzielt werden kann. Dieser Kopplungswirkungsgrad wird berechnet, indem die gekoppelte Leistung (d.h. die von dem Ende 770 der zweiten optischen Multimodenfaser 710 abgegebene Leistung) durch die Summe der gekoppelten Leistung und der nicht gekoppelten Leistung (d.h. der Leistung des von dem zweiten Ende 760 der ersten optischen Multimodenfaser 700 abgegebenen Lichts) geteilt wird. Der Abstand zwischen den Faserkernen kann eingestellt werden, indem die Fasern seitlich verschoben werden, wie es in U.S.-Patent Nr. 4 536 058 beschrieben ist, um den Kopplungswirkungsgrad von Null auf 97 % einzustellen.
Fig. 11 zeigt ein System, das einen Modenwähler, der entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, in ein System integriert, das Licht, das sich in einer Faser mit einer Vielzahl von Frequenzen ausbreitet, in eine Vielzahl von Lichtsignalen mit diskreten Frequenzen aufteilt, die sich in getrennten Fasern ausbreiten. Das System weist eine erste optische Faser 800 auf, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur zwei Ausbreitungsmoden hat. Diese Faser 800 hat ein erstes Ende 802, das Eingangslicht aufnimmt, das durch einen Pfeil 804 repräsentiert wird. Das Eingangslicht 804 besteht aus einer Vielzahl optischer Signale, die diskrete optische Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, ...λn haben. Vorzugsweise breiten sich die optischen Signale in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der Faser aus. Ein Teil der optischen Faser 800 ist in einer Kopplerhälfte 806 angeordnet, die entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Eine zweite optische Faser 810, die vorzugsweise eine optische Einzelmodenfaser ist, ist in einer zweiten Kopplerhälfte 812 angeordnet, die ebenfalls entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die zwei Kopplerhälften 806, 812 werden so positioniert, daß auf den Fasern 800 und 810 ausgebildete Stirnflächen nebeneinander angeordnet sind, um eine Kopplung zwischen den Ausbreitungsmoden der zwei Fasern zu schaffen und dadurch einen Modenwähler 814 gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Ein zweiter Abschnitt der ersten optischen Faser 800 ist in einen Dämpfungsfeld-Rasterreflektor 820 integriert, der entsprechend der parallel anhängigen U.S.-Patentanmeldung Serial No. 754 271 aufgebaut ist, die den Titel trägt "Optical Fiber Evanescent Grating Reflector", die am 15. Juli 1985 eingereicht wurde und die auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde. Diese Anmeldung wird hier durch Bezugnahme darauf aufgenommen. Durch geeignete Auswahl der Periodizität der Rasterung des Rasterreflektors 820, wie es in der parallel anhängigen Anmeldung offenbart ist, wird Licht, das auf den Rasterreflektor in der LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode der optischen Faser 800 einfällt, was durch einen Pfeil 830 repräsentiert wird, durch den Rasterreflektor 820 reflektiert, wodurch es sich in der umgekehrten Richtung in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode ausbreitet, wie es durch einen Pfeil 840 dargestellt ist. Wie in der parallel anhängigen Patentanmeldung dargestellt ist, kann der Rasterreflektor 820 so aufgebaut sein, daß er eine Serie periodischer Raster mit einer Periodizität hat, (wobei der Abstand zwischen parallelen Bahnen ist, die das Raster bilden), so daß Licht, das auf den Rasterreflektor 820 in der LP&sub0;&sub1;-Mode mit einer Wellenlänge von λ&sub0;&sub1; einfällt, (wobei λ&sub0;&sub1; sich auf die Wellenlänge bei der Eingangsfrequenz in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode bezieht), zurück in die Faser 802 in entgegengesetzter Richtung mit einer Wellenlänge λ&sub1;&sub1; reflektiert wird, die der Wellenlänge eines Signals bei der gleichen Frequenz in der LP&sub1;&sub1;- Ausbreitungsmode entspricht. Um diese Reflexionscharakteristik zu erhalten, wird die Periodizität des Rasterreflektors 820 entsprechend der folgenden Gleichung gewählt:
1/ = 1/λ&sub0;&sub1; + 1/λ&sub1;&sub1; (1)
Wie in der parallel anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, wirkt der Rasterreflektor 820 als ein Intermodenkoppler, wenn die Periodizität der Rasterung in Übereinstimmung mit Gleichung (1) gewählt wird. Der Rasterreflektor 820 ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, daß er frequenzselektiv ist und Licht, das sich mit einer Vielzahl von Frequenzen ausbreitet, derart trennen kann, daß das sich in der umgekehrten Richtung ausbreitende Licht, das durch den Pfeil 860 dargestellt wird, nur eine ausgewählte Frequenz aus der Vielzahl der Frequenzen hat. Diese Frequenz (die eine Wellenlänge λ&sub1; hat, die die Freiraum-Wellenlänge eines optischen Signals bei der ausgewählten Frequenz repräsentiert) ist die Frequenz, bei der die Wellenlänge λ&sub0;&sub1; der LP&sub0;&sub1;-Mode und die Wellenlänge λ&sub1;&sub1; der LP&sub1;&sub1;-Mode die Gleichung (1) für die Periodizität des Rasterreflektors 820 erfüllen. Obwohl das auf das erste Ende 802 der ersten optischen Multimodenfaser 800 einfallende Lichtsignal, wie es durch den Pfeil 804 repräsentiert wird, eine Vielzahl optischer Frequenzen hat (d.h. λ&sub1;, λ&sub2;, λ&sub3;.... λn), wird somit nur das optische Signal von dem Rasterreflektor 800 reflektiert, das die Wellenlänge λ&sub1; mit Ausbreitungsmodenwellenlängen λ&sub0;&sub1; und λ&sub1;&sub1; hat, die die Gleichung (1) erfüllen.
Das System in Fig. 11 arbeitet wie folgt: Das auf das erste Ende 802 der ersten optischen Faser 800 in der LP&sub0;&sub1;-Mode einfallende Licht wandert zu dem Modenwähler 814. Der Modenwähler 814 ist so aufgebaut, daß die Fasern 800 und 810 so ausgewählt sind, daß die Phasenausbreitungsgeschwindigkeiten nur für eine Kopplung der LP&sub1;&sub1;-Mode der ersten optischen Faser 800 auf die zweite LP&sub0;&sub1;-Mode der zweiten optischen Faser 810 angepaßt sind. Somit durchlaufen optische Signale, die sich in der LP&sub0;&sub1;-Mode der ersten optischen Faser 810 ausbreiten, durch den Wechselwirkungsbereich des Modenwählers 814 mit geringer Kopplung auf die zweite optische Faser 810. Das auf den Rasterreflektor 820 einfallende Licht, das durch den Pfeil 830 repräsentiert wird, besteht somit im wesentlichen aus dem gesamten Eingangslicht bei den Eingangsfrequenzen λ&sub1;, λ&sub2;, λ&sub3;.... λn in der LP&sub0;&sub1;-Mode. Bei dem Rasterreflektor 820 wird das Eingangslicht mit der Frequenz λ&sub1;, die die Gleichung (1) für die Wellenlänge λ&sub0;&sub1; für die LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode und die Wellenlänge λ11 für die LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode erfüllt, durch den Rasterreflektor 820 reflektiert, und es breitet sich in der umgekehrten Richtung in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode aus, wie es durch einen Pfeil 840 angedeutet ist. Wenn dieses Licht auf den Modenwähler 814 einfällt, wird das optische Signal in der LP&sub1;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 800 auf die LP&sub0;&sub1;- Ausbreitungsmode der zweiten optischen Faser 810 gekoppelt und als ein Ausgangssignal, das durch einen Pfeil 850 repräsentiert wird, an einem Ende 852 der zweiten optischen Faser 810 zur Verfügung gestellt. Die optischen Eingangssignale bei den anderen Frequenzen (die durch λ&sub2;, λ&sub3;.... λn repräsentiert werden) werden von dem Rasterreflektor 820 nicht reflektiert, und sie breiten sich weiterhin in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode der ersten optischen Faser 800 in der ursprünglichen Vorwärtsrichtung aus, wie es durch einen Pfeil 860 angedeutet ist. Der Modenwähler 814 und der Rasterreflektor 820 wirken demnach zusammen, um das optische Signal bei der Frequenz auszuwählen, die der Wellenlänge λ&sub1; entspricht, wobei es als ein diskretes Ausgangssignal an dem Ende 852 der zweiten optischen Faser 810 in der LP&sub0;&sub1;-Ausbreitungsmode zur Verfügung gestellt wird. Zusätzliche Paare an Modenwählern und Rasterreflektoren (nicht dargestellt), die für die anderen Wellenlängen (d.h. λ&sub2;, λ&sub3;.... λn) geeignet sind, können auf der ersten optischen Faser 800 ausgebildet werden, um die anderen Wellenlängen auszuwählen und diese als diskrete Ausgangssignale zu liefern. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 11 bildet somit eine vorteilhafte Einrichtung zur Trennung optischer Frequenzen von einem Eingangslichtsignal mit mehreren Eingangsfrequenzen.
Aus der Diskussion, die sich auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele bezieht, ergibt sich, daß der Modenwähler der vorliegenden Erfindung zwei unterschiedliche optische Fasern verwendet, von denen eine eine Multimoden-Eigenschaft hat, während die andere entweder eine Einzelmoden- oder eine Multimoden-Eigenschaft haben kann. Die Multimodenfasern der vorliegenden Erfindung sind jedoch eine spezielle Klasse von Multimodenfasern, die hier als "Fasern mit wenigen Moden" bezeichnet werden, die Licht in nicht mehr als etwa 5 bis 10 räumlichen Moden ausbreiten. Der Fachmann erkennt, daß es schwierig ist, die oben diskutierte Anpassung und Fehlanpassung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Fasern zu erzielen, die mehr als etwa 5 bis 10 Moden haben, da die Differenz zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeiten abnimmt, wenn die Anzahl der Moden ansteigt. Darüber hinaus ist die Ausbreitungsgeschwindigkeitsdifferenz für Moden höherer Ordnung gewöhnlich kleiner als für Moden niedrigerer Ordnung. Beispielsweise ist die Ausbreitungsgeschwindigkeitsdifferenz zwischen der Mode 99. Ordnung und der Mode 100. Ordnung einer Faser mit 100 Moden sehr klein verglichen mit der Ausbreitungsgeschwindigkeitsdifferenz zwischen den Moden erster und zweiter Ordnung einer Doppelmodenfaser. Somit ist es besonders vorteilhaft, in der vorliegenden Erfindung Fasern mit wenigen Moden zu verwenden.
Während hier bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung offenbart worden sind, erkennt der Fachmann, daß Veränderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne daß von dem Schutzumfang dieser Erfindung abgewichen wird, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

1. Faseroptischer Modenwähler mit ersten und zweiten unähnlichen optischen Fasern (100, 110), die einander gegenüberliegen, um einen Wechselwirkungsbereich (156) zu bilden, wobei die erste Faser (100) einen Kern und einen Mantel hat, die wenigstens eine Ausbreitungsmode (LP&sub0;&sub1;) für Licht einer Wellenlänge bieten, wobei die zweite Faser (110) einen Kern und einen Mantel hat, die wenigstens zwei Ausbreitungsmoden (LP&sub0;&sub1;, LP&sub1;&sub1;) für Licht der genannten Wellenlänge bieten, wobei nur zwei der genannten Moden zusammenpassende Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben, so daß Licht, das sich in der zusammenpassenden Mode in einer der Fasern ausbreitet, wirksam zu der passenden Mode in der anderen der Fasern gekoppelt wird, wobei eine der zusammenpassenden Moden in der ersten Faser (100) und die andere in der zweiten Faser (110) ist, wobei der Wähler dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kerne (102, 112) der Fasern (100, 110) im wesentlichen den gleichen Querschnitt innerhalb des Wechselwirkungsbereichs (156) wie außerhalb des Wechselwirkungsbereichs (156) haben, daß die zweite optische Faser (110) einen elliptischen Kern (112) hat und daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit jeder der nicht zusammenpassenden Moden sich von allen anderen Moden ausreichend unterscheidet, um eine wesentliche optische Kopplung zwischen irgendwelchen der nicht zusammenpassenden Moden zu verhindern.

2. Faseroptischer Modenwähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Faser (110) einen Kern (112) hat, der einen Durchmesser größer als derjenige der ersten Faser (100) hat.

3. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Faser (100) eine Einzelmodenfaser ist, in der Licht ausschließlich in der Mode erster Ordnung (LP&sub0;&sub1;) wandert.

4. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Faser (110) eine Zweimodenfaser ist, in der Licht ausschließlich in den Moden erster und zweiter Ordnung (LP&sub0;&sub1;, LP&sub1;&sub1;) wandert.

5. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einander über einen Wechselwirkungsbereich (156) gegenüberliegen, dessen Länge gewählt ist, um eine im wesentlichen vollständige Kopplung zwischen den beiden Moden zu verursachen, die zusammenpassende Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben.

6. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Moden, die zusammenpassende Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben, eine Mode höherer Ordnung als die andere der Moden ist, die zusammenpassende Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben.

7. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenwähler zusätzlich Mittel zum Steuern der Orientierung des Energieverteilungsmusters in der Mode höherer Ordnung aufweist, um die Kopplung zwischen den Moden zu steuern, die zusammenpassende Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben.

8. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Fasern (100, 110) gekrümmt in einer Stützstruktur (120, 130) montiert ist.

9. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder der Fasern (100, 110) von einer ihrer Seiten der Mantel (104, 114) entfernt ist, um eine ovale Manteloberfläche (144, 154) zu bilden.

10. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (100, 110) über den Wechselwirkungsbereich (156) hinweg im wesentlichen parallel sind.

11. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht zwischen den beiden Fasern (100, 110) durch gedämpfte oder herabgesetzte Feld-Wechselwirkung zwischen den zusammenpassenden Moden gekoppelt wird.

12. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Wechselwirkungsbereichs (156) wenigstens eine Größenordnung größer ist als der Kerndurchmesser jeder der Fasern.

13. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Ausbreitungsmoden der zweiten optischen Faser (110) Eigenmoden aufweist, die ein keulenartiges Muster haben, wobei die optische Faser (110) die Eigenmoden veranlaßt, längs der zweiten optischen Faser ohne Veränderung zu wandern, wodurch es dem keulenartigen Muster gestattet ist, für eine maximale Kopplung zwischen der zweiten optischen Faser (110) und der ersten optischen Faser (100) orientiert zu werden.

14. Faseroptischer Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der ferner einen Gitterreflektor (820) aufweist, der an einer Stelle an der ersten Faser (800) zum Koppeln von Licht zwischen den beiden Ausbreitungsmoden der ersten Faser (800) angeordnet ist.

15. Verfahren zum Trennen mehrerer Lichtsignale, die entsprechende mehrere Frequenzen haben, mit den Schritten:

- Selektives Koppeln eines der mehreren Lichtsignale von einer ersten Ausbreitungsmode (LP&sub0;&sub1;) einer ersten optischen Faser (800) zu einer zweiten Ausbreitungsmode (LP&sub1;&sub1;) der ersten optischen Faser (800), wobei jede der Ausbreitungsmoden der ersten optischen Faser (800) unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten hat;

- optisches Koppeln der zweiten Mode (LP&sub1;&sub1;) der ersten optischen Faser (800) zu einer Ausbreitungsmode einer unähnlichen zweiten optischen Faser (810), wobei die Fasern einander gegenüber angeordnet sind, um einen Wechselwirkungsbereich (156) zu bilden, und wobei die Kerne (102, 112) der Fasern (100, 110) im wesentlichen den gleichen Querschnitt innerhalb des Wechselwirkungsbereichs (156) wie außerhalb des Wechselwirkungsbereichs (156) haben, wobei die ersten und zweiten Fasern einen reziproken Modenwähler bilden, der einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß aufweist, wobei die Mode der unähnlichen optischen Faser (810) eine Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, die zu der Ausbreitungsgeschwindigkeit der zweiten Mode paßt, um eine Lichtübertragung dazwischen zu verursachen, ohne eine wesentliche Lichtübertragung zwischen der ersten Mode und der Mode der unähnlichen optischen Faser zu verursachen, und

-Ausgeben des einen der mehreren Lichtsignale an dem Ausgangsanschluß des Modenwählers.

16. Verfahren zum selektiven Koppeln von Lichtsignalen durch Eingeben derselben in einen faseroptischen Modenwähler nach einem der Ansprüche 1 bis 14.