DE3780612T2 - Zirkulardoppelbrechende lichtwellenleiter. - Google Patents

Description

• In den letzten Jahren hat es einen steilen Anstieg des Interesses an Wellenleitern mit äußerst geringer Dämpfung (oder optischen Fasern, wie sie auch genannt werden können,) aus glasartigem Silicamaterial gegeben, welche gekennzeichnet sind durch ein ausgesprochen und überlegen anisotropisches optisches Verhalten, wobei dieses Interesse sich auf die Wellenleiter konzentrierte, die bekannt sind als Wellenleiter für einen einzigen Übertragungszustand (oder monomodale oder unimodale Wellenleiter), welche in Wirklichkeit gekennzeichnet sind durch die Tatsache, Strahlung in zwei unterschiedlichen Polarisierungszuständen übertragen zu können, welche, streng genommen, elliptisch sind.
• Zwei extreme Fälle sind von besonderer Bedeutung für die Anwendungszwecke, nämlich derjenige, bei dem diese Polarisierungsellipsen die Resultierende zweier orthogonaler linearer Polarisierungszustände sind, und derjenige, bei dem die Ellipsen die resultierende von zwei kreisförmigen Polarisierungszuständen mit entgegengesetzten Rotationen sind. Diese werden dann als lineardoppelbrechende Wellenleiter und zirkulardoppelbrechende Wellenleiter bezeichnet.
• Die zirkulardoppelbrechenden optischen Leiter werden derzeit prinzipiell in Sensoren und Wandler von physikalischen Größen verwendet und sind insbesondere für die Konstruktion von Instrumenten zum Messen von statischen oder langsam veränderlichen Magnetfeldern geeignet. Jedoch ist es nicht schwierig, diese auch in der Produktion von Komponenten zu verwenden, die an den Enden oder in besonderen Abschnitten von Telekommunikationssystemen einzusetzen sind, welche als Übertragungsmittel isotrope oder geradlinige doppelbrechende optische Fasern verwenden.
• Sowohl in diesem Fall als auch im Bereich der Sensoren und Wandler ist es von großer Wichtigkeit, daß es möglich sein sollte, isotrope Leiter und zirkulardoppelbrechende Leiter derart miteinander zu verbinden, daß der Leistungsverlust durch Strahlung und Reflektion an der Verbindungsstelle zwischen den unterschiedlichen Fasern sehr gering sein muß.
• Die mit der industriellen Produktion von zirkulardoppelbrechenden Leitern verbundenen Probleme entstehen im wesentlichen aus der Unmöglichkeit der Veränderung der chemischen oder physikalischen Eigenschaften der glasartigen Silicamasse im mikroskopischen Bereich im gewünschten Sinne. Das Ergebnis ist, daß die Techniken, durch die man zirkulardoppelbrechende Leiter erhalten hat, mechanische Operationen erfordern, die die gewünschten Eigenschaften nur im makroskopischen Bereich hervorrufen, d.h. sozusagen über Bereiche, die merkbar größer als die Wellenlänge des geleiteten Lichtes sind.
• Diese mechanischen Operationen können im wesentlichen auf zwei folgende Schritte reduziert werden:
• - Eine Struktur wird erzeugt, welche im Gegensatz zu einem isotropischen optischen Leiter eine Drehsymmetrie um eine Längsachse, die nachfolgend als Achse z bezeichnet wird, nicht besitzt;
• - die zuvor erwähnte Struktur wird einer Torsion um die z-Achse unterworfen und/oder ist schraubenförmig auf einem Zylinder aufgewickelt.
• Einige Nachteile der zirkulardoppelbrechenden optischen Leiter, die hierdurch erzeugt werden, sind durch die Erfindung beseitigt worden, die in unserer früheren EP-A-0210806 offenbart ist, welche nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde.
• Zusätzlich zur EP-A-0210806 wird auf einen Artikel mit dem Titel "Design Considerations For Circularly Form- Birefringent Optical Fibres" in IEE Procedings, Band 133, Nr. 4, verwiesen, welcher nach dem Anmeldetag der EP-A-0210806, jedoch vor dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung, veröffentlicht wurde und welcher einen zirkulardoppelbrechenden dielektrischen Wellenleiter beschreibt, dessen Querschnitt eine zentrale kreisförmige Zone mit einem konstanten oder im wesentlichen konstanten Brechungsindex n1 in der radialen Richtung, eine äußere Zone mit einem Brechungsindex n2 und einen dazwischenliegenden mittleren Bereich aufweist, der in acht oder in ein Mehrfaches von acht Winkelsektionen unterteilt ist, wobei die Winkelsektionen schraubenförmig um die zentrale kreisförmige Zone des Wellenleiters entlang dessen Länge verlaufen, wobei jeweils abwechselnde Sektionen Brechungsindizes n3 und n4 besitzen, wobei n3 konstant oder im wesentlichen konstant in der radialen Richtung ist.
• Um die vorliegende Erfindung gut verstehen zu können, wird nun auf die beiliegenden Zeichnungen näher verwiesen, in denen:
• Fig. 1a und 1b Querschnitte von vor der EP-A-0210806 bekannten Wellenleitern sind;
• Fig. 2 ein Querschnitt eines in der EP-A-0210806 offenbarten Wellenleiters ist; und
• Fig. 3 ein Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
• Die vor der Erfindung der EP-A-0210806 hergestellten Wellenleiter können in zwei Kategorien klassifiziert werden:
• a) Leiter wie der in Fig. 1a gezeigte, bei welchem der Querschnitt (des gesamten Leiters oder eines Teils von diesem) in m Winkelsektoren unterteilt ist (wo m herkömmlicherweise acht oder ein Vielfaches von acht ist, um eine Überlagerung einer linearen Doppelbrechung auf der zirkularen Doppelbrechung zu vermeiden), wobei diese Leiter alternierend Brechungsindizes n1 und n2 besitzen, wobei n1 > n2 ist. Weder n1 noch n2 können bei dieser Art von Leiter von Punkt zu Punkt wesentlich variiert werden. Der Leiter ist einer Torsion um die Achse unterworfen, in der die fraglichen Sektoren zusammentreffen; und
• b) Leiter wie der in Fig. 1b gezeigte, bei dem der Querschnitt des Kerns elektrisch homogen ist und bei dem der Kern dann schraubenförmig um eine von der Symmetrieachse des Kerns verschiedene Achse gewunden ist.
• In Leitern des Typs a wird die übertragene elektromagnetische Energie im Querschnitt völlig anders als in einem zylindrischen, isotropen, monomodalen optischen Leiter verteilt. Demnach werden die Einleitung und die Abgabe des Lichtes an den beiden Enden der Länge eines Leiters des Typs a bei direkter Verbindung mit einem isotropen, monomodalen Leiter von verschiedenen Verlusten begleitet.
• Dieser Nachteil tritt nicht in den Leitern des Typs b auf, jedoch wird dieses zu einem Preis einer wesentlichen Reduzierung in der maximalen zirkularen Doppelbrechung erreicht, die mit der maximalen Torsion vergleichbar ist, bei der die Faser noch zur Übertragung des Lichtes in der Lage ist. Falls die Steigung der schraubenförmigen Windung unter einen gewissen Minimalwert fällt, strahlt tatsächlich eine optische Faser und leitet gleichzeitig.
• Demnach benötigt für eine ähnliche äußere Gesamtleistung eine Vorrichtung des Typs b eine Wellenlänge, die viel größer als die der ähnlichen Vorrichtung des Typs a ist; das Ergebnis ist ein Ansteigen derjenigen Verluste, die von der von der Strahlung überwundenen Entfernung abhängen.
• Die beiden zuvor beschriebenen Nachteile schließen sich gegenseitig aus, jedoch der Stand der Technik, der vor der Erfindung der EP-A-0210806 bestand, machte es notwendig, den einen oder anderen Nachteil ohne die Möglichkeit eines Kompromisses in Kauf zu nehmen. Die Erfindung der EP-A-0210806 hat es demgegenüber möglich gemacht, die beiden Nachteile bis zu einem gesteuerten Maß gegenseitig zu kompensieren, so daß es möglich wurde, die Leistung jedes Leiters bezüglich seiner Nenncharakteristiken zu optimieren.
• Die in Fig. 2 gezeigte Ausführung der EP-A-0210806 weist einen optischen Leiter auf, bei welchem der Brechungsindex im Querschnitt gemäß der obigen Beschreibung verteilt ist. Dieser Leiter ist einer Torsion (beispielsweise der Wirkung des Spinnens von einem Formteil) um die Symmetrieachse des Querschnittes unterworfen, welcher aus folgendem besteht:
• - Es ist ein kreisförmiger zentraler Bereich mit einem Außenradius a vorgesehen, bei welchem der Brechungsindex konstant (oder annähernd konstant) ist, dies ist durch n1 bezeichnet;
• - es ist ein Außenbereich vorgesehen, der im Inneren von einem Umfang eines Radius b gebildet wird, bei welchem der Brechungsindex konstant ist; dieser ist als n2 bezeichnet;
• - es ist ein dazwischenliegender mittlerer Bereich vorgesehen, der sich zwischen dem Zentralbereich und dem äußeren Bereich befindet, welcher in m Winkelsektionen unterteilt ist (m = 8 oder eine Mehrzahl von 8 aus den zuvor erklärten Gründen);
• - die Winkelsektionen in geradzahligen Positionen (beginnend von einem geeigneten Winkelbezugspunkt) haben konstante Brechungsindizes n3 (die mit n2 übereinstimmen können);
• - die Winkelsektionen in ungeradzahligen Positionen haben Brechungsindizes n4, die allmählich abnehmen, wenn der zugehörige Radius r ansteigt, und zwar vom Wert n1 (oder von einem ein wenig darunterliegenden Wert) für r = a auf den Wert n2 (oder einen leicht darüberliegenden Wert) für r = b;
• - der Index n4 variiert invers proportional zum Quadrat der Entfernung von der Achse des Wellenleiters;
• - die Winkelbreite der geradzahligen (oder ungeradzahligen) Sektionen ist ein Konstruktionsparameter der Struktur.
• Unter der Annahme aus Gründen der Vereinfachung, daß m = 8 ist, und unter der Verwendung einer Schattierung, um den Brechungsindex zu repräsentieren (nmax = dunkel, nmin = weiß), ist das, was gerade gesagt worden ist, im Diagramm von Fig. 2 gezeigt, in dem der Querschnitt des Leiters eine Form besitzt, die als "Militärkreuz" beschrieben werden kann.
• Das Militärkreuzwellenleiterfeld kann mit dem der einleitenden und abgebenden Isotropenleitern gekoppelt werden, wodurch die Verluste an den Steckerverbindungen des zirkulardoppelbrechenden Leiters minimiert werden.
• Die Konstruktionsparameter, wie in der EP-A-0210806 aufgeführt, sind:
• - die Indizes n1, n2, n3;
• - die Radien, a, b;
• - die Proportionalitätskonstante h zwischen n4 und r&supmin;²;
• - die Winkelbreite der ungeradzahligen Sektionen.
• Um diese Parameter zu verändern, bedeutet eine Änderung des Kompromisses zwischen der Reduzierung der Kopplungsverluste (und somit der Verluste an den Enden des Anisotropenleiters) und dem Erhalt einer maximalen zirkularen Doppelbrechung (und somit sämtlicher entlang des Leiters verteilten Verluste).
• In der EP-A-0210806 wurde außerdem dargelegt, daß, falls notwendig, die Parameter des Querschnittes (Brechungsindizes und/oder geometrische Abmessungen) sich allmählich entlang der Längsachse verändern können, um beispielsweise eine Anfangszone für einen optimalen Anschluß zu erhalten, gefolgt von einer anderen Zone mit einer höheren zirkularen Doppelbrechung. Es wurde gleichwohl dargelegt, daß dies technologisch schwieriger ist, wie es im gegenwärtigen Stand der Technik angegeben ist.
• Innerhalb der großen Bandbreite von gegebenen Möglichkeiten sind einige ausgewählte Maßnahmen gegenüber anderen darin zu bevorzugen, daß sie Probleme der elektromagnetischen Fortpflanzung und/oder technologische Probleme in einer befriedigenderen Art lösen.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen zirkulardoppelbrechenden dielektrischen Wellenleiter, dessen Querschnitt eine zentrale kreisförmige Zone mit einem konstanten oder im wesentlichen konstanten Brechungsindex n1 in der radialen Richtung; eine äußere Zone mit einem Brechungsindex n2 und einen mittleren Bereich aufweist, der in acht oder ein Mehrfaches von acht Winkelsektionen aufgeteilt ist, wobei die Winkelsektionen schraubenförmig um die zentrale kreisförmige Zone des Wellenleiters entlang dessen Länge verlaufen, wobei jeweils abwechselnde Sektionen Brechungsindizes n3 und n4 besitzen, wobei n3 konstant oder im wesentlichen konstant in der radialen Richtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß n4 sich in der radialen Richtung im wesentlichen invers proportional zum Quadrat der radialen Entfernung von der Achse des Wellenleiters verändert, wobei n4 nicht kleiner als n3 und nicht kleiner als n2 ist und wobei n2 kleiner als der Maximalwert von n4 über die gesamte Länge des Wellenleiters oder in einem Abschnitt zwischen dessen Enden ist.
• Die Erfindung schafft ebenfalls einen zirkulardoppelbrechenden Wellenleiter mit drei Wellenleiterlängen, die in Kaskade in Längsrichtung der Fortpflanzung mit oder ohne Unterbrechung in ihrer Kontinuität miteinander verbunden sind, wobei die drei Wellenleiterlängen jeweils gemäß dem vorangegangenen Abschnitt ausgebildet sind.
• Ein Problem von wesentlicher Wichtigkeit, das von der beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, gelöst wird, ist die Individualisierung der Konstruktionsparameter, um gleichzeitig zwei Eigenschaften zu erzielen:
• - Sie modifiziert im wesentlichen den Kompromiß zwischen Kupplungsverlusten und dem Grad der zirkularen Doppelbrechung, von der tatsächlich wenig in der EP-A-0210806 gesagt worden war;
• - es ist leicht, vom technologischen Standpunkt aus zu kontrollieren.
• Der Brechungsindex des kreisförmigen Bereiches in der Mitte des Militärkreuzes, angedeutet durch n1, ist idealerweise an diese beiden Erfordernisse angepaßt. Tatsächlich unter der Annahme natürlich, daß sämtliche anderen Parameter gleich bleiben:
• - Falls n1 ansteigt, wird das übertragene elektromagnetische Feld der fraglichen Struktur zur z-Achse des Leiters gerichtet und neigt zunehmend dazu, dem Feld eines Isotropenleiters zu ähneln; die Verluste an der Verbindung zwischen den beiden Leitern werden somit reduziert;
• - falls n1 sinkt, dringt das Feld tiefer in die Bereiche mit dem variablen Brechungsindex n4 ein; dies wird begleitet von einem Anstieg der zirkularen Doppelbrechung.
• Insbesondere erhält man eine beträchtlich akzentuierte Doppelbrechung dadurch, daß man n1 unter den Maximalwert von n4 (welcher für r = a gilt) sinken läßt und, falls notwendig, sogar noch unter den Wert n3.
• Ein anderes Merkmal des Ausführungsbeispiels besteht in besonders einfacher Weise darin, daß man einen allmählichen Übergang von einem Leiter mit optimaler Kopplung zu einem Leiter mit hoher zirkularer Doppelbrechung erhält.
• Das Merkmal, welches für den fraglichen Übergang verantwortlich ist und welches als solches verstanden wird, wenn weiterer Bezug auf das genommen wird, was im Hinblick auf den Brechungsindex des inneren Kerns gesagt wurde, besteht darin, daß sich n1 entlang der Achse des Leiters von Maximalwerten an jedem Ende für den Anschluß an entsprechende isotrope Leiter zu einem Minimalwert zwischen seinen Enden für hohe zirkulare Doppelbrechung allmählich ändert. Die Veränderung von n1 ist ausreichend gleichmäßig, um eine "adiabate" Veränderung im geleiteten Feld zu bewirken.
• Um die Technologie kurz zu beschreiben muß darauf hingewiesen werden, daß ein "gewöhnlicher" Militärkreuz- Leiter, d.h. mit konstantem n1, mit Hilfe eines Verfahrens derjenigen Art hergestellt werden kann, welches gemeinhin als "Stab im Rohr" bekannt ist. Hierbei handelt es sich sozusagen um ein Verfahren, welches mit einem Formteil, welches durch Aneinanderanordnung von verschiedenen (nicht notwendigerweise exakt kreisförmigen) Zylindern aus verschiedenen Glasmaterialien hergestellt wird, innerhalb eines Rohres beginnt, das ebenfalls aus Glas besteht; es ist dann beabsichtigt, dessen gesamte Anordnung gerade beim Spinnen der Faser flach werden zu lassen.
• Um einen "Militärkreuz"-Leiter zu erhalten, bei welchem n1 in Längsrichtung variabel ist, wird ein zylindrischer Glasstab oder -stange mit einem Index hergestellt, der in Längsrichtung variabel ist, wobei der Stab in der Mitte des Formteils der zuvor beschriebenen Art angeordnet wird. Den fraglichen Stab erhält man durch eine Technik, die gemeinhin als "VAD" (vapour-phase axial deposition bzw. axiale Aufbringung einer Dampf-Phase) bekannt ist, d.h. durch den Prozeß, Dampf-Phase chemisch aufzubringen, bei welchem synthetisches Silicamaterial sich am Ausgang aus einem geeigneten Ofen bildet und auf einer "Saat" abgelagert wird, die allmählich vom Ofen wegbewegt wird. Die Einführung einer geeigneten Dotierungssubstanz in die chemische Reaktion in Dosen, die langsam über die Zeit verändert werden können, macht es möglich, die gewünschte Veränderung im Brechungsindex zu erhalten, welche in der gewünschten Veränderung von n1 im Leiter während des Spinnens resultiert.
• Ein anderer Aspekt des Ausführungsbeispiels betrifft die Anzahl m der Winkelsektionen im mittleren Bereich und deren Winkelbreite. Während die EP-A-0210806 den allgemeinen Hinweis gibt, daß die für m und das Winkelmaß der Sektionen ausgewählten Werte die zirkulare Doppelbrechung beeinflussen, gibt sie keine Einzelheiten darüber, wie man eine hohe zirkulare Doppelbrechung gleichzeitig mit breiten Grenzen einer geometrischen Toleranz erhält, und zwar insbesondere hinsichtlich der Winkel der verschiedenen Sektionen.
• Durch eine mathematische Reihenentwicklung und technologische Beobachtungen hat man herausgefunden, daß der zu bevorzugende Wert für m nicht acht (der Minimalwert für einen korrekten Betrieb des zirkulardoppelbrechenden Leiters), sondern ein Mehrfaches davon ist. Außerdem steigt die zirkulare Doppelbrechung im wesentlichen an, wenn die Sektionen mit dem variablen Index n4 ein größeres Winkelmaß besitzen als diejenigen mit einem konstanten Index n3. Eine Wahl der Art, bei welchem m = 16 ist, der Winkel am Zentrum der Sektoren mit variablem Index im wesentlichen gleich (3π)/16 rad und der Winkel am Zentrum der Sektoren mit konstantem Index = π/l6 ist, genügt den zuvor erwähnten Erfordernissen besser als die Faser mit acht Sektoren mit einem Winkelmaß von π/4. Die in Fig. 3 schematisch gezeigte 16-Sektoren-Struktur ist offensichtlich höchst unterschiedlich vom "Militärkreuz" von Fig. 2, obwohl es sich hierbei um nichts anderes als eine genauere Individualisierung eines Falles handelt, auf den in der EP-A-0210806 allgemein Bezug genommen wird. Ein geeigneter Name für die neue Struktur lautet "Windmühlen-Art".
• Ein typisches Beispiel für die Abmessungen eines Leiters der Windmühlen-Art, welcher bei einer Wellenlänge von 633 nm funktionieren soll: Primärer Radius a = 2 um; sekundärer Radius b = 8 um; n1 ist gleich dem einer isotropen monomodalen Faser (z.B. 1,457); n2 = n3 = n10,998; n4 ist gleich n2 bei r = b. Anzahl der Sektionen: m = 16; Winkelöffnung der Sektionen mit variablem Index: (3π)/16 rad.

Claims (9)

1. Zirkulardoppelbrechender dielektrischer Wellenleiter, dessen Querschnitt eine zentrale kreisförmige Zone mit einem konstanten oder im wesentlichen konstanten Brechungsindex n1 in der radialen Richtung, eine äußere Zone mit einem Brechungsindex n2 und einen mittleren Bereich aufweist, der in acht oder ein Mehrfaches von acht Winkelsektionen aufgeteilt ist, wobei die Winkelsektionen schraubenförmig um die zentrale kreisförmige Zone des Wellenleiters entlang dessen Länge verlaufen, wobei jeweils abwechselnde Sektionen Brechungsindizes n3 und n4 besitzen, wobei n3 konstant oder im wesentlichen konstant in der radialen Richtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß n4 sich in der radialen Richtung im wesentlichen invers proportional zum Quadrat der radialen Entfernung von der Achse des Wellenleiters verändert, wobei n4 nicht kleiner als n3 und nicht kleiner als n2 ist und wobei n2 kleiner als der Maximalwert von n4 über die gesamte Länge des Wellenleiters oder in einem Abschnitt zwischen dessen Enden ist.

2. Wellenleiter nach Anspruch 2, bei welchem der zentrale Bereich in 16 Winkelsektionen geteilt ist.

3. Wellenleiter nach Anspruch 2, bei welchem die jeweiligen Winkelmaße der Winkelsektionen mit einem Brechungsindex n4 gleich sind.

4. Wellenleiter nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem das Winkelmaß jedes der Winkelsektionen mit einem Brechungsindex n4 größer als das Winkelmaß von jeder der anderen Winkelsektionen ist.

5. Wellenleiter nach Anspruch 4, bei welchem das Winkelmaß jeder Winkelsektion mit einem Brechungsindex n4 im wesentlich um das Dreifache größer als das Winkelmaß jeder anderen Winkelsektion ist.

6. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem n1 konstant oder im wesentlichen konstant in der axialen Richtung ist.

7. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem n1 sich fortlaufend in der axialen Richtung des Wellenleiters von den Maximalwerten an jedem Ende zu einem Minimalwert zwischen den Enden verändert.

8. Wellenleiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welchem n1 kleiner als n3 über die Länge des Wellenleiters oder in einem Abschnitt zwischen dessen Endabschnitten ist.

9. Zirkulardoppelbrechender Lichtwellenleiter mit drei Wellenleiter-Längen, die in Kaskade in der Längsrichtung der Fortpflanzung mit oder ohne Unterbrechung in der Kontinuität miteinander verbunden sind, wobei die drei Wellenleiter-Längen jeweils nach Anspruch 1 ausgebildet sind.