DE60117610T2

DE60117610T2 - Faseroptisches filter

Info

Publication number: DE60117610T2
Application number: DE60117610T
Authority: DE
Inventors: Paolo Vavassori; Alessandro Iommi
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: DE60117610D1; EP1330668B1; AU2002223638A1; WO2002037150A1; US20040057685A1; ATE319111T1; EP1202089A1; US7177511B2; EP1330668A1; CA2427353A1

Description

Die folgende Erfindung bezieht sich auf eine optische Filtervorrichtung, die aus einer optischen Faser hergestellt ist, insbesondere auf einen Faseroptischen Filter, der in einem System zur Übertragung von optischen Wellenlängen-Multiplexsignalen (abgekürzt „WDM"-Signalen) verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Filters, auf eine optische Faser, die verwendet werden kann, um diesen Filter zu bilden, auf ein System für die Übertragung der WDM-Signale unter Verwendung dieses Filters und auf ein Verfahren zum Filtern optischer Signale.
Ein optisches WDM-Signal ist genauer ein (digitales oder analoges) Signal, das eine Anzahl von N optischer Signale umfasst, die voneinander unabhängig sind und von denen jedes eine jeweilige Übertragungswellenlänge λ₁, λ₂ ... λ_N aufweist, die von jener der anderen Signale verschieden ist. Jede Übertragungswellenlänge definiert einen „Übertragungskanal". Darüber hinaus hat jedes Signal jeweils eine zugehörige Wellenlängenbandbreite Δλ von vorbestimmter Größe – eine sogenannte „Kanalbandbreite" oder „(spektrale) Kanalgröße" – die auf der entsprechenden Übertragungswellenlänge zentriert ist. Die Kanalgröße hängt typischerweise von den Eigenschaften der verwendeten Laserquellen und von der Art der Modulation ab, die verwendet wird, um die zu übertragende Information mit dem Signal zu verbinden. Bei Abwesenheit einer Modulation liegen die typischen spektralen Amplitudenwerte eines von einer Laserquelle ausgesendeten Signals im Bereich von 10 MHz, während sie im Fall der Modulation, außerhalb des Bereichs von 2,5 Gbit/s, im Bereich von 5 GHz liegen.
Das WDM-Signal weist auch einen „Abstand zwischen Kanälen" auf, der als die Wellenlängentrennung (oder auf äquivalente Weise die Frequenztrennung) zwischen den mittleren Wellenlängen zweier benachbarter Kanäle definiert ist. Um eine große Zahl von Kanälen in einem der sogenannten „Übertragungsfenster" der optischen Fasern sowie in einer nützlichen Verstärkungsbandbreite der optischen Verstärker zu übertragen, liegt der Abstand zwischen den Kanälen eines WDM-Signals typischerweise im Bereich von einem Nanometer.
Allgemein geschieht bei einem WDM-System die Signalübertragung auf folgende Weise: die verschiedenen Signale werden zuerst von den jeweiligen optischen Quellen erzeugt, dann gemultiplext um ein WDM-Signal zu bilden, dann entlang derselben faseroptischen Übertragungsleitung übertragen und schließlich demoduliert, um von den jeweiligen Empfängern empfangen zu werden.
Bei den jüngsten auf Wellenlängen-Multiplexing basierenden optischen Verstärkungs- und Übertragungssystemen (die in der Lage sind, entlang derselben Faser eine sehr hohe Anzahl von Kanälen – z.B. 128 – zu übertragen, verteilt über eine besonders breite spektrale Bandbreite – z.B. 70 nm und allgemeiner bei optischen Signalverarbeitungsvorrichtungen werden sowohl für die Instrumentierung als auch die Sensoren zunehmend vollständig aus optischen Fasern gebildete Vorrichtungen verwendet, ohne jegliche Ausbreitung des Lichts im freien Raum. Insbesondere sind diese Vorrichtungen für das Durchführen der spektralen Filterung, des Multiplexens und des Demultiplexens der Kanäle und der Trennung des Übertragungsspektrums in Bänder erforderlich.
In Bezug auf das spektrale Filtern ist es notwendig, sowohl Vorrichtungen mit einer hohen Wellenlängenselektivität zum Filtern der einzelnen Kanäle als auch Vorrichtungen mit breiterer Bandbreite für die Entzerrung der Kanäle in der Verstärkungsbandbreite der optischen Verstärker zu verwenden. Die Entzerrung der Kanäle ist notwendig, da das Verstärkungsspektrum der Erbiumdotierten optischen Faserverstärker (welche die am meisten verwendete optische Verstärkungsvorrichtung darstellen) im Bereich zwischen 1.530 und 1.560 nm deutlich ungleichförmig ist. Trotz des Fortschritts, der bei der Entwicklung von Glasmatritzen für Silica-basierende optische Fasern erzielt wurde, welche verschiedene Co-Dotiersubstanzen enthalten, die in der Lage sind, die spektrale Verstärkungskurve „abzuflachen", sind zur Zeit Silica-basiserte Fasern, die ein ausreichend gleichförmiges Verstärkungsprofil aufweisen, sodass sie keine externe Entzerrung benötigen, nicht verfügbar.
Die am meisten verwendete Konfiguration, um optische Breitbandverstärkungsmodule zu bilden, umfasst die Verwendung eines Entzerrfilters, der zwischen die beiden aktiven Faserverstärkungsstufen angeordnet wird. Das Einsetzen des Filters zwischen den beiden Verstärkungsstufen weist den grundlegenden Vorteil auf, eine spektrale „Umverteilung" der zur Verstärkung verfügbaren Leistung zu erlauben, anstatt einfach die Leistung in den Wellenlängenbereichen mit einer höheren Verstärkung zu beschränken. Das spektrale Profil des Filters, das die maximale Entzerrung bietet, hängt von den Betriebsbedingungen des Verstärkers (und daher von der Leistung der jedem Stadium zugeführten Pumpstrahlung) ab, sowie von der Anzahl und der Wellenlängenverteilung der Kanäle. In neueren Systemen, wo es die Möglichkeit der Kanalsummierung/-extraktion gibt, kann die Anzahl und die Verteilung der Kanäle sich in Abhängigkeit von der vom Systemmanager gewählten Konfiguration ändern.
Aus den zuvor genannten Gründen ist es wichtig geworden, optische Filter zu haben, die effizient mit der aktiven Faser integriert werden können, und zwar mit geringen Einsetzverlusten und mit einem spektralen Profil, das leicht in Abhängigkeit von der spezifischen Verwendung des einzelnen Verstärkers abgeändert werden kann. Es sind verschiedene Arten von Filtern bekannt, die direkt unter Verwendung einer optischen Faser hergestellt werden.
Eine erste Art von Faser unterscheidet sich durch die Tatsache, dass die Faser einen Abschnitt mit einer plötzlichen Änderung im Durchmesser aufweist, d.h. einen sich verjüngenden Abschnitt. Dieser Bereich induziert in jedem Signal, das durch ihn durchtritt, eine Abschwächung, die von der Wellenlänge des Signals abhängt. Daher wird auf diese Weise eine spektrale Filterung durchgeführt. Die spektrale Form der Abschwächung dieser Filter ist im Wesentlichen auf der Wellenlänge sinusförmig.
Eine andere Art von Filter, die als „Fabry-Perot"-Filter bekannt ist, wird aus einer optischen Faser und zwei Bragg-Gittern gebildet, die in der Faser selbst ausgebildet sind und als Spiegel betrieben werden, um so einen optischen Resonator zu definieren.
In jüngster Zeit sind sogenannte langperiodische Gitter (LPG) entwickelt worden, wobei die Gitter durch periodische Änderungen im Indexprofil einer Faser (typischerweise durch Belichten mit UV-Strahlung) gekennzeichnet sind und es auch erlauben, eine Wellenlängenfilterung durchzuführen.
Eine weitere Klasse von Filtern ist jene, die durch eine interferrometrische Struktur der Mach-Zehnder-Art definiert ist. Solch eine Struktur muss in der Lage sein, eine Trennung eines optischen Signals in zwei verschiedene Verteilungen des elektromagnetischen Felds durchzuführen, diese Verteilungen entlang der jeweiligen optischen Wege zu propagieren, in welche auf kontrollierte Weise eine gegenseitige Verzögerung eingeführt werden kann, und dann die beiden elektromagnetischen Feldverteilungen wieder zu kombinieren, um ein optisches Interferenzsignal zu erhalten, dessen Intensität eine Funktion der Wellenlänge ist.
1 zeigt schematisch einen Mach-Zehnder-Filter 50 einer bekannten Art, der in der Lage ist, mit zwei unterschiedlichen Feldverteilungen zu arbeiten. Dieser interferrometrische Aufbau umfasst eine erste und eine zweite optische Faser 51, 52, die an zwei verschiedenen Punkten mittels eines ersten und eines zweiten Schmelzkopplers 53, 54, z.B. der 50/50(oder 3 dB)-Art, verbunden sind. Der Filter 50 ist in der Lage, an seinem Eingang ein Signal S_in von einem ersten Ende der ersten Faser 51 zu empfangen und an seinem Ausgang ein gefiltertes Signal S_out an einem zweiten Ende der ersten Faser 51 auszugeben. In dem Abschnitt zwischen den Kopplern 53, 54 definieren die Fasern 51, 52 optische Wege verschiedener Länge. Der Unterschied in der optischen Weglänge zwischen den beiden Fasern 51, 52 kann darin begründet sein, dass sie verschiedene Übertragungseigenschaften aufweisen, sodass die Signale, die in einer Faser propagiert werden, eine unterschiedliche Geschwindigkeit zu jenen Signalen haben, die in der anderen Faser propagiert werden, oder wie in der Figur gezeigt, darin begründet sein kann, dass sie verschiedene Längen L und L + ΔL im in Betracht gezogenen Abschnitt aufweisen.
Die Koppler 53, 54 erlauben eine geeignete Kopplung zwischen den elektromagnetischen Feldern, die in den beiden Fasern 51, 52 propagiert werden. Insbesondere ist die Funktion des ersten Kopplers 53 jene, zwei unterschiedliche elektromagnetische Feldverteilungen in den optischen Fasern 51, 52 aus dem Signal S_in zu erregen. Diese elektromagnetischen Felder, die entlang verschiedener optischer Wege propagiert werden, sammeln einen relativen Phasenunterschied Δϕ an, der nicht Null ist und definiert ist durch:
wobei n_eff der effektive Brechungsindex der Mode ist, die in den Fasern propagiert wird, λ die Wellenlänge ist und ΔL der Längenunterschied zwischen den Abschnitten der beiden Fasern 51, 52 ist, die zwischen den beiden Kopplern 53, 54 vorhanden sind.
Der zweite Koppler 54 ist konzipiert, um wieder die beiden elektromagnetischen Felder zu kombinieren, wobei er eine Interferenz zwischen ihnen erzeugt, die konstruktiv oder destruktiv sein kann, abhängig von der angesammelten Phasenverschiebung Δϕ.
Im einfachsten Fall, in dem die Fasern 51, 52 identischen sind und die Koppler 53, 54 ein Verhältnis der optischen Leistungsteilung gleich 50/50 haben (3 dB-Koppler), sind die optischen Leistungen an den beiden Ausgängen des zweiten Kopplers 54, jeweils mit P₁ und P₂ bezeichnet, von den folgenden Gleichungen definiert.
2 zeigt das normalisierte Übertragungsspektrum T(λ) des Filters 50 am Ausgang seiner ersten Faser 51 für den Fall, in dem ΔL gleich 5 μm ist und n_eff gleich 1,462 ist. Die Periode dieser Kurve ist nicht konstant und ist eine Funktion der Eigenschaften der verwendeten Wellenleiter. Da es ein unterschiedliches Ansprechverhalten für die verschiedenen Wellenlängen aufweist, kann das Interferometer vorteilhaft als optischer Filter verwendet werden.
Ein Mach-Zehnder Filter wie jener oben beschriebene ist jedoch in der Praxis aufgrund seiner extremen Empfindlichkeit auf äußere Störungen (z.B. Veränderungen in der Temperatur) und Veränderungen in der Form (insbesondere Veränderungen in der Krümmung der Faser) schwer einsetzbar. Diese Phänomene verursachen Veränderungen im effektiven Brechungsindex n_eff und daher im optischen Weg, die allgemein für die beiden Fasern verschieden sind. Das Verhalten dieser Vorrichtung, das im Idealfall durch die Gleichungen 1 und 2 beschrieben wird, kann daher in einer realen Situation nicht präzise vorhergesagt werden.
Um diesen Nachteil zu überwinden, ist eine Lösung vorgeschlagen worden, die die beiden Wellenleiter in einem einzigen kompakten Aufbau kombiniert. Das US-Patent 5,295,205 an Corning schlägt einen Filter vor, der durch das Einführen zweier optischer Fasern in ein Glasrohr gebildet wird, die voneinander verschieden sind, wobei das Rohr auf die Fasern nach Erzeugung eines Vakuums im Rohr kollabiert wird und schließlich das Rohr in zwei Bereichen erwärmt und gestreckt wird, die unter einem Abstand voneinander platziert sind, sodass sich zwei sich verjüngende Bereiche bilden, die die modalen Koppler definieren. Die Fasern haben auch unterschiedliche Propagationskonstanten in der zwischen den beiden Kopplern liegenden Zone, woraus eine relative Verzögerung zwischen den darin propagierten optischen Signalen resultiert.
Der Anmelder ist der Ansicht, dass diese Lösung schwer zu realisieren ist, aufgrund der technologischen Komplexität bestimmter Schritte im Herstellungsverfahren, insbesondere des Durchführens der Kollabierung des Glasrohrs um die Fasern nach der Erzeugung des Vakuums im Rohr und des Bildens der Koppler unter einer Entfernung voneinander, die auf der Grundlage der erwünschten spektralen Form und unabhängig von der Geometrie des sich verjüngenden Bereichs bestimmt wird. Ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Mach-Zehnder-Interferrometers ist jenes, das in der internationalen Patentanmeldung WO 00/00860 im Namen von Corning beschrieben wird. Dieses Dokument beschreibt eine koaxiale optische Vorrichtung mit einer optischen Faser und einem ganzheitlich mit der optischen Faser ausgebildeten Kopplungsregulierer. Die optische Faser ist eine Single-Mode-Faser im dritten Spektralfenster für optische Telekommunikation und ein Glasrohr mit einem Brechungsindex niedriger als jener der Ummantelung wird auf die Faser kollabiert, wie in dem bereits genannten US-Patent 5,295,205 beschrieben wird. Im Bereich, wo das kolabierte Rohr vorhanden ist, ist das Brechungsindexprofil abgeändert, um lokal die Übertragung zweier Moden zu erlauben, insbesondere der Moden LP₀₁ und LP₀₂. Diese Moden, die per Definition zueinander senkrecht sind, definieren zwei getrennte Feldverteilungen, welche bei ihrer Propagierung einen relativen Phasenunterschied Δϕ. In dem von dem Glasrohr eingenommenen Bereich sind nicht-adiabatische, sich verjüngende Zonen gebildet, die in der Lage sind, eine Leistungskopplung zwischen den Moden zu induzieren. Die sich verjüngenden Zonen werden mittels einer normalen Technik zur Herstellung von Schmelzkopplern gebildet, indem nämlich eine plötzliche Verringerung im Durchmesser der Faser verursacht wird und das Rohr darauf kollabiert wird, um so eine Kopplung zwischen den symmetrischen Moden LP₀₁ und LP₀₂ zu erreichen, aber eine Kopplung mit der Mode LP₀₃ zu verhindern.
Der Anmelder bemerkt auch, dass die oben beschriebene Vorrichtung das Durchführen von technologisch komplexen Herstellungsschritten erfordert, wie z.B. das Kollabieren eines Glasrohrs unter Vakuum auf eine optische Faser und die Bildung von nicht adiabatischen, sich verjüngenden Zonen, um so einen hohen Wert für den Kopplungsfaktor zwischen den symmetrischen Moden LP₀₁ und LP₀₂ aufzuweisen, ohne jedoch andere, höher-symmetrische Moden wie z.B. die Mode LP₀₃ anzuregen (wo der „Kopplungsfaktor" oder das „Teilungsverhältnis" in diesem Fall so zu verstehen ist, dass es das Verhältnis zwischen der in die Mode LP₀₁ übertragenen Leistung und der in der Mode LP₀₂ verbleibenden Leistung bezeichnet).
Der Anmelder bemerkt daher, dass die faseroptischen Mach-Zehnder-Filter der bekannten Art unter Verwendung einer komplexen Technologie hergestellt werden, die keine einfache Kontrolle der Filterparameter ermöglicht. Die kritische Natur des Herstellungsverfahrens führt daher zu hohen Kosten und zu relativ niedrigen Herstellungsausbeuten.
Der Anmelder hat sich mit dem Problem befasst, einen faseroptischen Mach-Zehnder-Filter bereitzustellen, der leicht herzustellen ist, kompakt ist und eine hohe Leistung aufweist.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass ein Mach-Zehnder-Interferometer, das leicht und kostengünstig herzustellen ist, und vorbestimmte spektrale Eigenschaften aufweist, hergestellt werden kann, indem eine Dual-Mode-Faser verwendet wird, die dazu konzipiert ist, eine Ausbreitung der fundamentalen Mode LP₀₁ und der assymetrischen Mode LP₁₁ zu erlauben und mit zwei modalen Kopplungsbereichen versehen ist (zum Koppeln der Moden LP₀₁ und LP₁₁), in denen das Brechungsindexprofil aufgrund des Vorhandenseins einer Ummantelungszone mit einem höheren Brechungsindex asymmetrisch ist. Diese Zone definiert im Wesentlichen einen ringförmigen Sektor der Ummantelung in einem gleich neben dem Kern liegenden Bereich, wenn im Querschnitt betrachtet, und weist eine radiale Ausdehnung auf, die im Wesentlichen jener der Mode LP₁₁ entspricht.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass ein Filter mit Kopplungsbereichen dieser Art hergestellt werden kann, indem eine optische Faser verwendet wird, deren innerster Bereich der Ummantelung dotiert ist, um sie so mit hohen thermorefraktiven Eigenschaften auszustatten, und indem dieser Bereich thermisch beaufschlagt wird, um so die erwünschte asymmetrische und lokalisierte Veränderung im Indexprofil zu erzeugen. Diese Dotierung kann mit Germanium, Phosphor und Fluor durchgeführt werden und muss der Gestalt sein, dass die Faser in der Lage ist, einer thermischen Beaufschlagung geeigneter Intensität mit einer Veränderung im Brechungsindex zu folgen, die größer als 5·10^–4, bevorzugt größer oder gleich 10^–3 und insbesondere bevorzugt größer oder gleich 2·10^–3 ist.
Der Anmelder hat auch herausgefunden, dass die thermische Beaufschlagung durch den Lichtbogen einer Schmelzverbindungsvorrichtung durchgeführt werden kann. Der Anmelder hat auch herausgefunden, dass diese Technik besonders einfach und flexibel ist und verwendet werden kann, um sehr lokalisierte Störungen im Querschnitt der optischen Faser zu erzeugen.
Entsprechend einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen faseroptischen Filter, umfassend:

– eine optische Faser, die einen Kern und einen Mantel beinhaltet, durch welche ein optisches Signal passieren kann;
– ein Paar von Kopplungsbereichen, die in der optischen Faser unter einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand gebildet sind, um eine Leistungsübertragung zwischen einer ersten und einer zweiten Ausbreitungsmode des optischen Signals zu erzeugen;
– einen Phasenverschiebungsbereich, der durch eine Sektion der Faser definiert wird, die zwischen den Kopplungsbereichen liegt, um eine Phasenverschiebung zwischen der ersten und zweiten Ausbreitungsmode zu erzeugen;

Bevorzugt weist der Mantel in jedem der Kopplungsbereiche im Querschnitt einen ringförmigen Sektor auf, in welchem der Brechungsindex größer als jener des Rests des Mantels ist.
Der Mantel weist im Querschnitt einen inneren ringförmigen Bereich benachbart zum Kern und einen äußeren ringförmigen Bereich auf, wobei der ringförmige Sektor bevorzugt zum inneren ringförmigen Bereich gehört.
Die ringförmigen Sektoren der Kopplungsbereiche weisen bevorzugt im Wesentlichen die gleiche Winkelposition auf.
Der innere ringförmige Bereich weist einen Innenradius r1 und einen Außenradius r₂ = k·r₁ auf, wobei k bevorzugt zwischen 2 und 6 liegt.
Außerhalb der Kopplungsregionen weist die optische Faser im Querschnitt einen Brechungsindexprofil auf, das bevorzugt der Stufenindexart ist.
Das optische Signal weist eine Wellenlänge auf, das in einem vorbestimmten Übertragungswellenlängenband liegt, und die optische Faser ist bevorzugt in dem Wellenlängenband eine Dual-Mode-Faser. Darüber hinaus umfasst der Filter eine erste und eine zweite optische Verbindungsfaser, die in dem Wellenlängenband Single-Mode-Fasern sind und mit den gegenüberliegenden Enden der optischen Faser verbunden sind. Vorteilhafterweise umfasst der innere ringförmige Bereich Silica und Oxide der folgenden Elemente: Germanium, Phosphor und Fluor.
Der Filter umfasst bevorzugt ein weiteres Paar von Kopplungsbereichen, die in der optischen Faser gebildet sind, in jedem von welchen der Mantel im Querschnitt einen weiteren ringförmigen Sektor aufweist, in welchem der Brechungsindex größer als jener des Rests des Mantels ist, wobei die weiteren ringförmigen Sektoren im Wesentlichen dieselbe Winkelposition aufweisen, verschieden von den ringförmigen Sektoren.
Bevorzugt wird jeder Kopplungsbereich des weiteren Paars von Kopplungsbereichen in der Nähe eines jeweiligen Kopplungsbereichs des Paars von Kopplungsbereichen gebildet. Bevorzugt ist der Unterschied zwischen dem Brechungsindex in dem ringförmigen Sektor und dem Brechungsindex des Rests des Mantels mindestens gleich 5·10^–4 und ist besonders bevorzugt gleich mindestens 2·10^–3.
Der Filter entsprechend der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl der oben definierten Filter umfassen, die in Serie verbunden sind. Entsprechend einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine optische Faser, die für die Herstellung eines oben definierten Filters verwendet werden kann, umfassend einen Kern und einen Mantel, wobei der Mantel einen radial inneren Bereich benachbart zum Kern und einen radial äußeren Bereich aufweist, wobei der radial innere Bereich eine Zusammensetzung aufweist, um eine Veränderung im Brechungsindex zu erhalten, die in Folge von thermischer Beaufschlagung mindestens gleich 5·10^–4 ist, und wobei die optische Faser eine Dual-Mode-Faser in einem zwischen 1.500 nm und 1.650 nm liegendne Wellenlängenband ist. Bevorzugt ist die Veränderung im Brechungsindex mindestens gleich 1·10^–3 und ist besonders bevorzugt gleich mindestens 2·10^–3. Die Differenz n₂ – n₃ zwischen dem Brechungsindex n₂ in dem radial inneren Bereich und dem Brechungsindex n₃ in dem radial äußeren Bereich beträgt bevorzugt zwischen +1·10^–3 und –2·10^–3.
Der radial innere Bereich umfasst bevorzugt Silica und Oxide der folgenden Elemente: Germanium, Phosphor und Fluor. Vorteilhafterweise weist in dem radial inneren Bereich Germanium eine Konzentration von zwischen 2% und 5%, Phosphor eine Konzentration von zwischen 0,5% und 2% und Fluor eine Konzentration von zwischen 1% und 2% auf.
Bevorzugt umfasst der Kern Silica und mindestens ein Element, das aus Germanium und Phosphor gewählt wird.
Bevorzugt ist die Faser eine Dual-Mode-Faser in einem Wellenlängenband von zwischen 1.500 nm und 1.650 nm.
Der innere ringförmige Bereich weist einen Innenradius r₁ und einen Auenradius r₂ = k·r₁ auf, wobei k bevorzugt zwischen 2 und 6 liegt.
Entsprechend einem anderen Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser aus einer wie oben definierten optischen Faser, umfassend den Schritt des Anwendens eines Elektrolichtbogens auf einen ersten und einen zweiten Abschnitt der optischen Faser, um so den Mantel der optischen Faser thermisch auf asymmetrische Weise zu beaufschlagen. Vorteilhafterweise wird der elektrische Lichtbogen zwischen einem Paar von Elektroden erzeugt und das Verfahren umfasst den Schritt des Verschiebens der optischen Faser auf kontrollierte Weise in Bezug auf die Elektroden, nachdem der Elektrolichtbogen auf den ersten Abschnitt angewendet wurde und bevor der Elektrolichtbogen auf den zweiten Abschnitt angewendet wird.
Der elektrische Lichtbogen weist eine Lebensdauer von bevorzugt weniger als 400 ms und besonders bevorzugt von weniger als 300 ms auf und hat eine Stromintensität bevorzugt zwischen 8 und 14 mA und besonders bevorzugt zwischen 10 und 11 mA.
Um den ersten und den zweiten Abschnitt thermisch zu stören, kann anstatt der Anwendung eines einzigen Lichtbogens eine Vielzahl von elektrischen Lichtbögen nacheinander angewendet werden. Entsprechend einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen optischen Verstärker, der mindestens eine optische Verstärkungsstufe und einen wie oben definierten optischen Filter umfasst, der in Serie mit der optischen Verstärkungsstufe angeordnet ist.
Entsprechend einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein optisches Telekommunikationssystem, umfassend mindestens einen optischen Sender, mindestens einen optischen Empfänger, eine optische Übertragungsleitung, die den Sender mit dem Empfänger verbindet, und mindestens einen optischen Verstärker, der entlang der Übertragungsleitung angeordnet ist, wobei der optische Verstärker mindestens eine optische Verstärkungsstufe und einen wie oben definierten optischen Filter umfasst, der in Serie mit der optischen Verstärkungsstufe angeordnet ist.
Bevorzugt umfasst der optischen Verstärker zwei optische Verstärkungsstufen und der optische Filter ist zwischen den beiden Stufen angeordnet. Alternativ ist der optische Filter stromabwärts der beiden Stufen angeordnet.
Entsprechend einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen modalen optischen Faserkoppler, umfassend:

– eine optische Faser, die einen Kern und einen Mantel umfasst und durch welche ein optisches Signal passieren kann; und
– einen Kopplungsbereich, der in der optischen Faser gebildet ist, um eine Leistungsübertragung zwischen einer ersten und einer zweiten Ausbreitungsmode des optischen Signals zu erzeugen;
– wobei die optische Faser in dem Kopplungsbereich im Querschnitt ein asymmetrisches Brechungsindexprofil aufweist.

Entsprechend einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Filtern eines optischen Signals, wobei das optische Signal in einem Wellenleiter in der fundamentalen Mode LP₀₁ übertragen wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Übertragen des Signals durch einen ersten Wellenleiterbereich mit einem im Querschnitt asymmetrischen Brechungsindexprofil, um so Leistung aus der fundamentalen Mode LP₀₁ zur asymmetrischen Mode LP₁₁ zu übertragen;
– Befördern der fundamentalen Mode LP₀₁ und der asymmetrischen Mode LP₁₁ über eine vorbestimmte Entfernung, umso eine relative Phasenverschiebung in Abhängigkeit der Entfernung und der Wellenlänge zu erzeugen;
– Übertragen der fundamentalen Mode LP₀₁ und der asymmetrischen Mode LP₁₁ durch einen zweiten Wellenbereich mit einem im Querschnitt asymmetrischen Brechungsindexprofil, um so Leistung zwischen der fundamentalen Mode LP₀₁ und der asymmetrischen Mode LP₁₁ zu koppeln.
– Weitere Details können aus der folgenden Beschreibung erhalten werden, die auf die unten gelisteten, beigefügten Figuren Bezug nimmt:

1 zeigt in schematischer Form einen Mach-Zehnder-Filter bekannter Art;
2 zeigt ein Übertragungsspektrum des Filters nach 1;
3a zeigt eine schematische Teilansicht eines Mach-Zehnder-Filters, der in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurde;
3b zeigt einen Querschnitt durch die Linie III-III des Filters der 3a;
3c zeigt eine schematische Gesamtansicht des Filters entsprechend der Erfindung;
4 zeigt das Brechungsindexprofil einer optischen Faser, die verwendet werden kann, um den Filter nach 3 herzustellen;
5 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung zum Bilden der modalen Kopplungsbereiche des Filters entsprechend der Erfindung;
6 zeigt in schematischer Form einen Schritt im Verfahren zur Herstellung des Filters entsprechend der 3a, wobei ein vorbestimmter Abschnitt der optischen Faser vom elektrischen Lichtbogen einer Schmelzverbindungsvorrichtung getroffen wird;
7a und 7b zeigen jeweils das Brechungsindexprofil der Faser des Filters entsprechend der Erfindung in einem Abschnitt, der durch den Verfahrensschritt nach 6 thermisch gestört wurde, sowie in einem nicht thermisch gestörten Abschnitt;
8 zeigt eine Vorrichtung, die verwendet werden kann, um die Kopplungseigenschaften des Filters während der Bildung der modalen Kopplungsbereiche zu beobachten;
9 zeigt das Übertragungsspektrum eines Filters, der in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurde, welches mithilfe der Vorrichtung entsprechend der 8 erhalten wurde;
10 zeigt schematisch eine experimentelle Vorrichtung zum Messen der modalen Kopplung aufgrund der asymmetrischen Änderung im Brechungsindexprofil der Faser;
11a und 11b zeigen die Ergebnisse einer Messung, die mit der Vorrichtung entsprechend der 10 durchgeführt wurde, nachdem eine Regression (Fitting) durchgeführt wurde;
12 zeigt eine Messung der Verluste des Filters entsprechend der Erfindung aufgrund der Polarisation des Eingangssignals;
13 zeigt eine andere Ausführungsform des Filters entsprechend der Erfindung;
14a und 14b zeigen im Zuge eines Beispiels die asymmetrischen Veränderungen im Indexprofil in verschiedenen Kopplungsbereichen des Filters entsprechend der 13;
15 zeigt das Ergebnis einer Messung der Abhängigkeit des Filterspektrums von der Temperatur;
16 zeigt ein Diagramm eines optischen WDM-Übertragungssystems; und
17 zeigt einen Verstärker des Übertragungssystems nach 16, das den Filter entsprechend der Erfindung umfasst.
Mit Bezug auf 3a bezeichnet 1 einen faseroptischen Filter der Mach-Zehnder-Art. Der Filter 1 umfasst eine optische Dual-Mode-Faser 2, die eine Länge von bevorzugt zwischen 1 mm und 100 mm aufweist und einen Kern 3 und einen Mantel 4 umfasst, wobei beide dieselbe Längsachse 5 haben.
Die Faser 2 weist auch eine Schutzbeschichtung 6 auf der Oberfläche auf, die aus einem Polymermaterial besteht. Die Beschichtung 6 wird während des Verfahrens zur Bildung des Filters 1 teilweise entfernt (wie in der Figur gezeigt) und kann, wenn notwendig, in einem späteren Stadium wieder angebracht werden.
Der Kern 3 weist einen Radius r₁ und einen Brechungsindex n₁ auf und besteht aus Silica (SiO₂), das mit einem oder mehreren Elementen dotiert ist, die den Effekt haben, den Brechungsindex zu erhöhen, wie z.B. Germanium (Ge) und Phosphor (P). Wie in 3b gezeigt, umfasst der Mantel 4 einen inneren Bereich 4a und einen äußeren Bereich 4b, die beide im Querschnitt ringförmig sind. Der innere Bereich 4a grenzt an den Kern 3 an (und hat daher einen Innenradius gleich r₁), weist einen Brechungsindex n₂ auf und hat einen Außenradius r₂ gleich k·r₁, wobei k ein geeigneter Koeffizient ist, bevorzugt zwischen 2 und 6. Darüber hinaus beträgt r₁ bevorzugt zwischen 2,5 und 6,5 μm. Der äußere Bereich 4b weist einen Brechungsindex n₃ und einen Außenradius r₃ von bevorzugt gleich 62,5 μm auf.
Bevorzugt liegt die Differenz n₁ – n₂ zwischen den Brechungsindices des Kerns 3 und des inneren Bereichs 4a zwischen 3,4·10^–3 und 1,5·10^–2. Darüber hinaus beträgt bevorzugt der Unterschied n₂ – n₃ zwischen dem Brechungsindex des inneren Bereichs 4a und des äußeren Bereichs 4b zwischen +1·10^–3 und –2·10^–3. Besonders bevorzugt ist n₂ im Wesentlichen gleich n₃ und die Faser 2 weist daher ein Brechungsindexprofil im Wesentlichen in der Form einer Stufe (Stufenindex) auf, wie in 4 gezeigt.
Wie bekannt ist, wird im Fall einer Faser mit einem abgestuften Brechungsindexprofil die cut-off-Wellenlänge λ_c lediglich vom Radius r₁ des Kerns 2 und der numerischen Appertur des NA bestimmt. Im vorliegenden Fall werden der Radius r₁ und die numerische Apertur NA so gewählt, dass die Faser 2 eine Dual-Mode-Faser ist im Spektralbereich des momentan größten Interesses für die optische Telekommunikation, d.h. zwischen 1.500 nm und 1.650 nm.
Da die Faser 2 in der Lage sein muss mit Single-Mode-Fasern mit bekannten Eigenschaften zu kommunizieren, kann sie mit einem Stufenbrechungsindex n₁ – n₂ und mit einem Radius r₁ konzipiert werden, sodass sie eine Verteilung der Fundamentalmode aufweist, die im Wesentlichen jener in den in Betracht gezogenen Single-Mode-Fasern äquivalent ist. Auf diese Weise wird die Leistungsübertragung von lediglich der Fundamentalmode zwischen der Faser 2 und diesen Single-Mode-Fasern sichergestellt.
Der innere Bereich 4a weist eine Zusammensetzung auf, sodass er thermorefraktiv ist. Diese Zusammensetzung umfasst Silica (Si), Germanium (Ge), Phosphor (P) und Fluor (F). Der Anmelder hat sichergestellt, dass es mit dieser Zusammensetzung möglich ist, unter Verwendung der unten beschriebenen thermischen Störungstechnik eine Veränderung im Brechungsindex zu erreichen, die mindestens gleich 5·10^–4 ist. Vorteilhafterweise kann die so erhaltene Veränderung im Brechungsindex größer oder gleich als 1·10^–3, und besonders vorteilhaft größer oder gleich 2·10^–3 sein.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass die Konzentrationen der oben genannten Dotiermittel in diesem Bereich innerhalb der folgenden Bereich liegen müssen, um einen inneren Bereich 4a mit dem oben genannten Wert des Brechungsindex und mit den oben genannten thermorefraktiven Eigenschaften zu erhalten:

– Ge: zwischen 2% und 5%
– P: zwischen 0,5% und 2%
– F: zwischen 1% und 2%

Immer noch bezugnehmend auf 3a weist die Faser 2 einen ersten und einen zweiten modalen Kopplungsbereich 8, 9 auf, die unter einem Abstand L voneinander entlang der Achse 5 positioniert sind. Die modalen Kopplungsbereiche 8, 9 werden gebildet, indem unter Verwendung des im Folgenden beschriebenen Verfahrens eine thermische Veränderung im Brechungsindex Δn induziert wird, die im inneren Bereich 4a asymmetrisch ist. Wie in 3b gezeigt, weist ein Abschnitt 7 (grau schattiert gezeigt) des inneren Bereichs 4a, der im Querschnitt einen im Wesentlichen ringförmigen Sektor definiert, in der Praxis einen Brechungsindex auf, der größer als jener des Rests des Mantelquerschnitts ist.
Aufgrund des Vorhandenseins einer Zone mit einem sehr asymmetrischen Brechungsindexprofil in einer optischen Faser ist es möglich, eine starke Leitungskpplung zwischen der fundamentalen Mode LP₀₁ und der asymmetrischen Mode LP₁₁ zu erzielen. Jeder der modalen Kopplungsbereiche 8, 9 definiert daher zusammen mit der Faser 2 einen modalen Koppler. Besonders muss die Veränderung im Index eine Form aufweisen (im in Betracht gezogenen Abschnitt), die jener der Mode LP₁₁ sehr ähnlich ist. Dieser Abschnitt der Faser 2, der zwischen den beiden Kopplungsregionen 8, 9 liegt und mit 10 bezeichnet ist, wird im Folgenden als der „Phasenverschiebungsbereich" bezeichnet, da er den Bereich definiert, in welchem die Moden zwischen LP₀₁ und LP₁₁ eine gegenseitige Phasenverschiebung Δϕ erfahren, die eine Funktion der Wellenlänge ist. Der Filter 1 definiert daher zwei Kopplungsbereiche 8, 9 und einen zwischen ihnen liegenden Phasenverschiebungsbereich 10.
Wie in der schematischen Darstellung in 3c gezeigt ist, umfasst der Filter 1 des Weiteren eine erste und eine zweite Faser 11, 12 der Standard Single-Mode (SM) Art, die mittels jeweiliger Verbindungen an den entgegengesetzten Enden der Faser 2 angeschlossen sind, um so eine im Wesentlichen verlustfreie Kopplung mit den Single-Mode-Übertragungsfasern des Systems zu erlauben, in dem der Filter 1 platziert ist. Die Fasern 11, 12 sind Single-Mode-Fasern in einem Spektralband, das zwischen 1.500 nm und 1.650 nm liegt. Die Filter 11, 12 definieren jeweils einen Eingang für die zu filternden Single-Mode-Signale S_in und einen Ausgang für die gefilterten Single-Mode-Signale S_out. Die Fasern 11, 12 weisen geometrische Eigenschaften auf, sodass sie ein Profil der fundamentalen Mode aufweisen, das dasselbe wie jenes der Faser 2 ist, um so die Kopplungsverluste damit zu minimieren und ein modales Filtern durchzuführen, um die Mode LP₁₁ zu eliminieren. Die Fasern 11, 12 weisen bevorzugt eine numerische Apertur NA von 0,1 bis 0,2 und einen Außenradius (des Mantels) ungefähr gleich 62,5 μm auf.
Der Betrieb des Filters 1 wird im Folgenden beschrieben. Wenn ein optisches Single-Mode Eingangssignal S_in über die erste Single-Mode-Faser 11 den ersten Kopplungsbereich 8 erreicht, tritt eine Leistungsübertragung von der Mode LP₀₁ zur Mode LP₁₁ in einem von der Wellenlänge abhängigen Umfang auf. Dann werden die Moden LP₀₁ und LP₁₁ im Phasenverschiebungsbereich 10 propagiert, an dessen Ende sie einen Phasenunterschied Δϕ aufweisen, der durch die folgende Beziehung ausgedrückt wird:
wobei Δn_eff der Unterschied zwischen den effektiven Brechungsindices der Mode LP₀₁ und der Mode LP₁₁ ist und λ die Wellenlänge ist.
Dieser Phasenunterschied rührt von den unterschiedlichen optischen Wegen her, die von den Moden LP₀₁ und LP₁₁ aufgrund ihrer verschiedenen effektiven Brechungsindices n_eff und daher aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Phasenverschiebungsbereichs 10 durchlaufen werden. Wenn die beiden Moden LP₀₁ und LP₁₁ den zweiten modalen Kopplungsbereich 9 erreichen, werden sie wieder kombiniert, wobei sie konstruktiv oder destruktiv interferieren, abhängig von der in Betracht gezogenen Wellenlänge. Das aus dem zweiten modalen Kopplungsbereich ausgehende Signal wird weiter beim Eintritt in die zweite Single-Mode-Faser 12 gefiltert, unter Eliminierung der Mode LP₁₁. Ein Single-Mode-Signal S_out mit einer spektralen Form, die von dem spektralen Verhalten des Filters 1 abhängt, wird daher aus der Faser 12 ausgegeben.
Das Verfahren zur Herstellung des Filters 1 wird im Folgenden beschrieben.
Die optische Faser 2 wird unter Verwendung der Technik der modifizierten Gasphasenabscheidung hergestellt. Um bei diesem Verfahren die erwünschte Zusammensetzung im thermorefraktiven Innenbereich 4a zu erhalten, wird dann zusätzlich zu Sauerstoff und Siliciumtetrachlorid (SiCl₄), die typischerweise bei diesem Verfahren verwendet werden, Germaniumtetrachlorid (GeCl₄), Phosphoroxichlorid (POCl₃) und eine der folgenden Verbindungen von Fluor ebenso in das Abscheidungsrohr eingeführt: Freon (CCl₂F₂), Schwefelhexafluorid (SF₆) und Siliziumtetrafluorid (SiF₄).
Die Kopplungsbereiche 8, 9 werden dann auf der optischen Faser 2 gebildet. Der Anmelder hat herausgefunden, dass die Kopplungsbereiche 8, 9 gebildet werden können, indem auf die Fasern eine asymmetrische thermische Störung angewendet wird, die in der Lage ist, die erwünschte Änderung des Brechungsindexprofil im inneren Bereich 4a des Mantels 4 zu erzeugen. Der Anmelder hat auch herausgefunden, dass diese thermische Störung mittels eines elektrischen Lichtbogens erzeugt werden kann.
Mit Bezug auf 5 bezeichnet 13 eine Vorrichtung zum Bilden der Kopplungsbereiche, umfassend eine Schmelzverbindungsvorrichtung 14 bekannter Art, z.B. eine Schmelzverbindungsvorrichtung Fujikara Modell FSM-20CSII für optische Fasern, und eine Faserbewegungsvorrichtung 15, die in der Lage ist, mikrometrische Verschiebungen der Faser 2 parallel zu ihrer Achse durchzuführen. Um eine asymmetrische thermische Störung zu induzieren, wird die Faser 2 zwischen die Elektroden der Schmelzverbindungsvorrichtung 14 positioniert, die wie in 6 gezeigt mit 16, 17 bezeichnet sind.
Die Verbindungsvorrichtung 14 wird dann betätigt, um einen elektrischen Lichtbogen 18 zu erzeugen, der ein plötzliches Erhitzen der Faser 2 und nach der Entladung ein nachfolgendes schnelles Kühlen verursacht. Da die Position der Faser 2 nie perfekt symmetrisch in Bezug auf die Elektroden 16, 17 ist, wird der elektrische Lichtbogen 18 gewöhnlich nur auf einer Seite des Abschnitt der Faser 2 gebildet, wie in der Figur gezeigt. Es gibt daher eine Temperaturverteilung innerhalb der Faser 2, sodass eine asymmetrische Änderung im Brechungsindex Δn bewirkt wird. Dieses Verhalten des elektrischen Lichtbogens 18 kann z.B. beobachtet werden, indem eine Videokamera (nicht gezeigt) in die Nähe der Elektroden 16, 17 der Verbindungsvorrichtung 14 gestellt wird.
Um den anderen Kopplungsbereich zu bilden, muss die Faser 2 parallel zu ihrer Achse 4 mithilfe der Faserbewegungsvorrichtung 15 verschoben werden, um so zwischen den Elektroden 16, 17 einen anderen Abschnitt der Faser 2 anzuordnen, dessen Abstand von dem zuvor behandelten Abschnitt exakt gleich L ist, und um erneut den elektrischen Lichtbogen an diesem Abschnitt anzuwenden.
Um einige der unten beschriebenen experimentellen Messungen durchzuführen, hat der Anmelder eine Faser 2 mit den folgenden Eigenschaften hergestellt:

– r₁ gleich 4,7 μm;
– k (= r₂/r₁) gleich 4,3;
– n₂ = n₃
– numerische Apertur NA gleich 0,15;
– cut-off-Wellenlänge λ_c gleich 1.630 nm;
– wobei der innere Bereich 4a umfasst (mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie ermittelt): 95,2% Silica (Si), 4% Germanium (Ge), 0,8% Phosphor (P). Der Prozentanteil von Fluor (F), der nicht mithilfe der Rasterelektronenmikroskopietechnik bestimmt werden kann, wurde unter Verwendung der Lehre von K. Abe, European Conference on Optical Fiber Communication, Paris, 1996, Präsentation II.4, auf ungefähr 1,3% bestimmt, unter Berücksichtigung, dass diese Konzentration es erlaubt, denselben Wert des Brechungsindex im inneren Bereich 4a und im äußeren Bereich 4b zu erzielen.

Aus dieser Faser wurde ein Filter 1 mit den folgenden zusätzlichen Eigenschaften hergestellt:

– Abstand L zwischen den Kopplungsbereichen 8 und 9: 30 mm;
– numerische Apertur der Fasern 11, 12: 0,12;
– cut-off-Länge der Fasern 11, 12: 1.200 nm;
– Außenradius des Mantels der Fasern 11, 12: 62,5 μm.

Die 7a und 7b zeigen jeweils das Brechungsindexprofil der so erhaltenen Fasern im thermisch gestörten Abschnitt und in einem Abschnitt, der nicht thermisch gestört ist. Aus der 7a kann gesehen werden, dass die Änderung Δn des Brechungsindexprofils im Abstand der Faser 2 asymmetrisch ist und einen Maximalwert von ungefähr 2 × 10^–3 aufweist.
Die Eigenschaften der Kopplungsbereiche 8, 9 werden von der Leistung und der Dauer des elektrischen Lichtbogens 18 bestimmt. Der Anmelder hat bemerkt, dass es nicht möglich ist, präzise auf Grundlage der Parameter des elektrischen Lichtbogens 18 die Menge der Änderung im Indexprofil und somit den Kopplungsfaktor festzustellen. Um die Kopplungseigenschaften der Bereiche 8, 9 nachzuprüfen, ist es möglich, während des Schreibvorgangs mittels einer Spektralanalyse eine Beobachtung des Auslöschungsverhältnisses des Filters (das mit dem Kopplungsfaktor korreliert ist) durchzuführen. 8 zeigt eine Vorrichtung 24, die zur Beobachtung der Kopplungseigenschaften des Filters während der Bildung der Kopplungsbereiche 8, 9 verwendet werden kann. Die Vorrichtung 24 umfasst eine Weißlichtquelle 25, die in der Lage ist, der Faser 2 elektromagnetische Strahlung eines breiten Spektrums zuzuführen, einen Spektralanalysator 26, der in der Lage ist, das Spektrum des die Faser 2 verlassenden Lichts zu analysieren, und eine mit dem Spektralanalysator 26 verbundene Verarbeitungseinheit 27, um die vom Analysator gelieferte Information zu verarbeiten.
9 zeigt das mittels der Vorrichtung 24 erhaltene Übertragungsspektrum eines Filters 1 mit den oben beschriebenen Eigenschaften. Aus dieser Figur kann man entnehmen, dass die spektrale Form eines entsprechend der Erfindung hergestellten Filters jene für Interferenzfilter der Mach-Zehnder Art typische ist, d.h. dass sie periodisch ist, mit einer von der in Betracht gezogenen Wellenlänge abhängigen Periodizität. Das so erhaltene Auslöschungsverhältnis, nämlich der Unterschied zwischen der minimalen und maximalen Transmittivität des Filters (ausgedrückt in dB) ist ungefähr gleich 1,2 dB und die Einsetzverluste sind ungefähr gleich 0,4 dB. Der Anmelder hat auch bemerkt, dass es durch Optimieren der Verfahrensparameter möglich ist, ein Auslöschungsverhältnis größer als 2,5 dB zu erhalten.
Auf Grundlage des erwünschten spektralen Verhaltens kann die optische Filtervorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung auf eine noch nicht gezeigte Weise mehrere, in Kaskaden angeordnete Filterstadien umfassen. In anderen Worten kann diese Vorrichtung eine Vielzahl von Filtern 1 umfassen, die in Reihe verbunden sind, um so eine spektrales Ansprechverhalten aufzuweisen, das durch die Kombination der Ansprechverhalten der verschiedenen Filter bestimmt wird. Wie aus dem Text „Fiber Optic Networks", Prentice Hall, P. E. Green, 1993, Seite 123, bekannt ist, ist es für das Konzipieren eines Mach-Zehnder-Filters mit einem erwünschten spektralen Verhalten notwendig, die Dispersionseigenschaften der Moden zu kennen, die entlang der Faser propagiert werden, nämlich den Wert δβ(λ) des Unterschieds zwischen den Propagationskonstanten der interferierenden Moden. Die modalen Dispersionseigenschaften können mittels einer Regression oder eines „Fittings" des spektralen Ansprechverhaltens (z.B. jenes in 9 gezeigte) eines Testfilters bekannter Länge erhalten werden. Aus dieser Dispersionseigenschaft ist es möglich, mittels einer digitalen Simulation die Parameter des Interferometers zu bestimmen, insbesondere den Abstand L (oder die Abstände L zwischen den Kopplungspunkten) im Fall von mehreren in Kaskade angeordneten Interferometern) und die Werte der Kopplungskoeffizienten, die benötigt werden, um den Filter mit dem erwünschten spektralen Verhalten herzustellen.
Die Effizienz, mit welcher die asymmetrische Änderung im Indexprofil, die unter Verwendung der Technik entsprechend der Erfindung erhalten wurde, eine Einkopplung in die höherer asymmetrische Mode LP₁₁ induziert, kann mittels eines geeigneten experimentellen Tests nachgeprüft werden. Zu diesem Zweck ist es möglich, eine Messvorrichtung zu verwenden, wie z.B. jene in 10 gezeigte, die dort mit 19 bezeichnet ist.
Die Messvorrichtung 19 umfasst eine Laserquelle 20, die in der Lage ist, einem der Enden der Faser 2 einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1.550 nm zuzuführen, sowie eine Infrarot-Videokamera 21, die so positioniert ist, dass sie in der Lage ist, das von der Faser emittierte Licht zu erfassen. Insbesondere ist die Kamera 21 in der Lage, das Intensitätsprofil des von der Faser 2 emittierten elektromagnetischen Felds (bekannt als das „Nahfeld") zu erfassen. Die Messvorrichtung 19 umfasst auch eine Verarbeitungseinheit 22, die mit der Kamera 21 verbunden ist, um von ihr ein mit dem erfassten optischen Signal korreliertes digitales Signal zu erhalten.
Das Intensitätsprofil des von der Kamera 21 erfassten elektromagnetischen Felds wird durch die Überlagerung der Moden gebildet, die in der Faser 2 propagiert werden, und wird mathematisch gesehen durch das Quadrat der Linear-Kombination dieser Moden definiert. Jede Mode hat auch einen zugehörigen Multipilikationskoeffizienten, der ihre Amplitude und daher ihre Gewichtung innerhalb der Linearkombination bestimmt. Um diese Koeffizienten abzuleiten, ist es möglich, eine lineare Regression (oder Fitting) am Ergebnis der experimentellen Messung durchzuführen. In der Praxis werden diese Moden basierend auf der Verteilung der Fasermoden (LP₀₁, LP₁₁ usw.) kombiniert, um so die Intensität des sich ergebenden Feldes zu erhalten, die sich der gemessenen am besten annähert.
Der Anmelder hat einen Test durchgeführt, der eine Faser 2 verwendet, die die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist und mit dem Kopplungsbereichen 8 und 9 versehen ist. Die 11a und 11b zeigen die Koeffizienten der linearen Regression (des Fittings), den ersten für die geradzahligen Moden, (der Art LP_0m) und den zweiten für die ungeradzahligen Moden (der Art LP_1m), die aus der Analyse der Faser 2 erhalten wurden. Diese Graphen bestätigen, dass die einzigen bei der Kopplung mitwirkenden Moden die Moden LP₀₁ und LP₁₁ sind. In dem infrage stehenden Fall sind die Werte der zu den Moden LP₀₁ und LP₁₁ zugehörigen Koeffizienten gleich 0,79 bzw. 0,21. Diese Messung bestätigt daher, dass die mithilfe der asymmetrischen Änderung im Indexprofil induzierte Kopplung eine hohe modale Selektivität erzeugt, die zu einem praktisch vernachlässigbaren Beitrag der anderen Moden als der Moden LP₀₁ und LP₁₁ führt.
Der Anmelder hat auch bemerkt, dass der Kopplungsfaktor, der als das Verhältnis zwischen der in die Mode LP₀₁ übertragenen Leistung und jener in der Mode LP₁₁ verbleibenden Leistung definiert ist, mit der Intensität (in anderen Worten mit der Stromstärke) des elektrischen Lichtbogens zunimmt. Jedoch hat der Anmelder auch bemerkt, dass wenn diese Intensität zu hoch ist, eine geometrische Verformung der Faser induziert wird, zusätzlich zu einer Änderung Δn im Brechungsindex der Faser. Diese Verformung verursacht Leistungsverluste, die eine Zunahme bei den Einsetzverlusten des Filters mit sich bringen und daher eine Verschlechterung in der Leistungsfähigkeit des Filters bewirken. Es ist daher notwendig, einen Kompromiss zwischen dem erwünschten Kopplungsfaktor (und daher der erwünschten Auslöschung) und den resultierenden Einsetzverlusten zu erzielen. Der Anmelder hat sichergestellt, dass der Lichtbogen eine Dauer von bevorzugt weniger als 400 ms, besonders bevorzugt von weniger als 300 ms und eine Stromstärke bevorzugt zwischen 8 und 14 mA, besonders bevorzugt zwischen 10 und 11 mA aufweist. Besonders bevorzugt kann statt eines einzelnen Lichtbogens eine Folge von Lichtbögen mit den oben genannten Eigenschaften angewendet werden.
Der Anmelder hat auch bemerkt, dass sich der Kopplungsfaktor entsprechend der Polarisation des Lichts ändert, da die Indexprofiländerung, die die Kopplung verursacht, keine Kreissymmetrie aufweist. Der Betrieb des Filters 1 hängt daher von der Polarisation des ankommenden Lichts ab. Diese Abhängigkeit wird gemessen, indem für jede Wellenlänge die maximale Veränderung ausgewertet wird, die im Abschwächungsspektrum des Filters vorhanden ist, wobei die Polarisation geändert wird (PDL, Polarisation Dependent Loss, Polarisationsabhängiger Verlust). 12 zeigt die unter Verwendung einer bekannten Technik gemessene PDL an einem Filter 1, der die oben beschriebenen Eigenschaften hat. Der Mittelwert des gemessenen PDL ist ungefähr 0,4 dB für einen Filter mit einem Auslöschungsverhältnis von ungefähr 2,6 dB.
Der Anmelder bemerkt auch, dass diese Abhängigkeit von der Polarisation nachteilig sein kann, wenn der Filter 1 in einer Verstärkungsstufe verwendet wird.
13 zeigt schematisch eine Abänderung des Filters entsprechend der Erfindung – bezeichnet mit 1' – der in der Lage ist, das oben genannte Problem wesentlich zu verringern. Der Filter 1' unterscheidet sich vom Filter 1 darin, dass zwei weitere Kopplungsbereiche 8' und 9' vorhanden sind, bevorzugt unter einem Abstand gleich L voneinander. Die Kopplungsbereiche 8' und 9' unterscheiden sich von den Kopplungsbereichen 8, 9 darin, dass die ersteren eine asymmetrische Veränderung im Indexprofil aufweisen, die senkrecht zu jener der letzteren steht. Insbesondere weisen die Kopplungsbereiche 8' und 9' im Querschnitt einen ringförmigen Sektor 7' auf, der um einen rechten Winkel (90°) in Bezug auf den ringförmigen Sektor 7 der Kopplungsbereiche 8 und 9 gedreht ist. 14a und 14b zeigen im Zuge eines Beispiels die asymmetrischen Änderungen im Indexprofil in den Kopplungsbereichen 8 bzw. 8' (ähnlich jenen, die in den Bereichen 9 bzw. 9' vorhanden sind). Der gegenseitige Abstand zwischen den Kopplungsbereichen 8 und 8' und zwischen den Kopplungsbereichen 9 und 9' ist vorzugsweise derselbe, z.B. 100 μm. Da dieser Abstand sehr gering ist, sind die unerwünschten Effekte der Modulierung des Signals aufgrund des Vorhandenseins der zusätzlichen Kopplungsbereiche 8' und 9' vernachlässigbar.
Wie zuvor ist es möglich, eine optische Filtervorrichtung herzustellen, die auf nicht gezeigte Weise eine Vielzahl von in Reihe verbundener Filter 1' umfasst.
Der Anmelder hat auch bemerkt, dass der Betrieb des Filters 1 von der Betriebstemperatur abhängt. Insbesondere verschieben sich bei einer Änderung der Temperatur die Spitzen im spektralen Ansprechverhalten des Filters 1 in ihrer Wellenlänge. Um die Temperaturempfindlichkeit des Filters entsprechend der vorliegenden Erfindung zu prüfen, wurde ein Filter 1 mit den oben aufgezeigten Eigenschaften in einer Temperatur geregelten Kammer positioniert, in welcher die Temperatur geändert wurde (z.B. mit einer rampenförmigen Änderung), um die Wellenlängenverschiebung seiner Resonanzspitzen zu bewirken. Die 15 zeigt die Ergebnisse dieser Messung. Insbesondere sind die Messpunkte und eine Regressionslinie (Fittinglinie) für einen Filter mit einem Abstand L von 20 mm gezeigt. Es wurde herausgefunden, dass für jeden mm Länge des Filters die Position der Spitze im Spektrum um ungefähr 0,0016 nm für jedes Grad Celsius an Temperaturänderung variiert. Der Anmelder bemerkt, dass diese Abhängigkeit im Wesentlichen jener äquivalent ist die von anderen Interferenzfiltern der Mach-Zehnder Art gezeigt wird.
Der Filter entsprechend der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise in einem Fernübertragungs-WDM(Wellenlängenmutliplexing)-Telekommunikationssystem verwendet werden, z.B. in einem Unterwasser-Telekommunikationssystem.
Wie in 16 gezeigt, umfasst ein optisches Telekommunikationssystem typischerweise eine Übertragungsstation 32, eine Empfangsstation 33 und eine optische Kommunikationsleitung 34, die die Übertragungsstation 32 und die Empfangsstation 33 verbindet. Die Übertragungsstation 32 umfasst eine Vielzahl von optischen Transmittern (Sendern) 35, von denen jeder in der Lage ist, ein optisches Signal an einer jeweiligen Wellenlänge zu übertragen. Jeder optische Transmitter 35 kann z.B. eine Laserlichtquelle und einen Wellenlängenkonverter umfassen, der in der Lage ist, das vom Laser erzeugte Signal zu empfangen und ein Signal an einer vorbestimmten Wellenlänge zu übertragen. Ein Wellenlängemultiplexer 36 ist mit seinen Eingangsseiten an den Transmittern 35 angeschlossen, um die Vielzahl von übertragenen Signalen zu empfangen, und ist mit seinem einzigen Ausgang an der Kommunikationsleitung 34 angeschlossen, um die Wellenlängen-gemultiplexten Signale auf der Leitung zu übertragen. Die Übertragungsstation 32 kann auch einen optischen Leistungsverstärker 37 umfassen, der mit dem Ausgang des Mulitplexers 36 verbunden ist, um den übertragenen Signalen die für die Übertragung entlang der Leitung 34 notwendige Leistung zu verschaffen.
Die Empfangsstation 32 umfasst einen Wellenlängen-Demultiplexer 38, der an seinem Eingang mit der Leitung 34 verbunden ist, um die übertragenen Signale zu empfangen, und der eine Vielzahl von Ausgängen aufweist, auf die die verschiedenen übertragenen Wellenlängen aufgeteilt werden. Die Empfangsstation 32 umfasst auch eine Vielzahl von optischen Empfängern 39, von denen jeder mit einem jeweiligen Ausgang des Demultiplexers 38 verbunden ist, um ein Signal an einer jeweiligen Wellenlänge zu empfangen. Jeder Empfänger 39 kann einen Wellenlängen-Konverter umfassen, der die Wellenlänge des Signals in eine Wellenlänge konvertiert, die für den Empfang des Signals mittels eines Photodetektors geeignet ist, der optisch mit dem Konverter verbunden ist. Die Empfangsstation 32 kann auch einen Vorverstärker 40 umfassen, der stromaufwärts des Demultiplexers 38 angeordnet ist, um den übertragenen Signalen die Leistung zu verschaffen, die für ihren korrekten Empfang nötig ist.
Die Kommunikationsleitung 34 umfasst viele Abschnitte einer optischen Faser 41 (bevorzugt einer Single-Mode optischen Faser) und eine Vielzahl von Leitungsverstärkern 42, die unter einem Abstand voneinander angeordnet sind (z.B. einige hundert Kilometer oder so) und dafür konzipiert sind, die Signale auf ein Leistungsniveau zu verstärken, das für die Übertragung zum nächsten Abschnitt der optischen Faser geeignet ist.
Wie schematisch in 17 gezeigt, ist mindestens einer der Verstärker des Übertragungssystems (d.h. der Leistungsverstärker 37, der Vorverstärker und die Leitungsverstärker 42), hier mit 45 bezeichnet, ein Zweistufenverstärker, d.h. er umfasst eine erste und eine zweite aktive Faser 46, 47 zur Verstärkung der Signale, die in Reihe verbunden sind. Wie gezeigt kann der Filter 1 entsprechend der Erfindung zwischen die beiden Verstärkungsstufen positioniert werden, um die Entzerrung der Signale durchzuführen. Alternativ kann der Filter stromabwärts der beiden Stufen positioniert werden.
Schließlich hat der Anmelder herausgefunden, dass der Filter entsprechend der Erfindung auch effektiv als Temperatur- oder Verformungssensor eingesetzt werden kann, da sein spektrales Ansprechverhalten für Änderungen in der Temperatur und in der Länge entsprechend den bekannten Gesetzen empfindlich ist. Insbesondere ist es durch Messung der Verschiebung von vorbestimmten Punkten im Filterspektrum möglich, die Änderung im gemessenen Parameter zu bestimmen.
Während des Betriebs als Temperatursensor kann der Sensor eingesetzt werden, um die in einer bestimmten Umgebung vorhandene absolute Temperatur zu messen, nachdem er auf eine vorbestimmte Temperatur kalibriert wurde. Auf ähnliche Weise kann er verwendet werden, um Temperaturänderungen zu messen.
Während des Betriebs als Verformungssensor wird der Filter 1 auf einen Körper angewendet, der eine Verformung erfahren kann. Die Änderung im spektralen Ansprechverhalten des Filters 1 nach der Verformung des Körpers stellt eine Messung der Verformung dar.

Claims

Faseroptischer Filter (1, 1') umfassend: – eine optische Faser (2), die einen Kern (3) und einen Mantel (4) beinhaltet und durch welche ein optisches Signal passieren kann; – ein Paar von Kopplungsbereichen (8, 9), die in der optischen Faser (2) unter einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand (L) gebildet sind, um eine Leistungsübertragung zwischen einer ersten und einer zweiten Ausbreitungsmode (LP₀₁, LP₁₁) des optischen Signals zu erzeugen; – einen Phasenverschiebungsbereich (10), der durch eine Sektion der Faser (2) definiert wird, die zwischen den Kopplungsbereichen (8, 9) liegt, um eine Phasenverschiebung zwischen der ersten und zweiten Ausbreitungsmode (LP₀₁, LP₁₁) zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (2) in den Kopplungsbereichen (8, 9) im Querschnitt ein asymmetrisches Brechungsindexprofil aufweist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Kopplungsbereiche (8, 9) der Mantel (4) im Querschnitt einen ringförmigen Sektor (7) aufweist, in welchem der Brechungsindex größer als jener des Rests des Mantels (4) ist.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (4) im Querschnitt einen inneren ringförmigen Bereich (4a) benachbart zum Kern (3) und einen äußeren ringförmigen Bereich (4b) aufweist, wobei der ringförmige Sektor (7) bevorzugt zum inneren ringförmigen Bereich (4a) gehört.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Sektoren (7) der Kopplungsbereiche (8, 9) im Wesentlichen die gleiche Winkelposition aufweisen.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Kopplungsbereiche (8, 9) die optische Faser (2) im Querschnitt ein Brechungsindexprofil der Stufenindex-Art aufweist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Signal eine Wellenlänge aufweist, die in einem vorbestimmten Übertragungswellenlängenband enthalten ist, und dass die optische Faser (2) in dem Wellenlängenband eine Dual-Mode-Faser ist.
Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere ringförmige Bereich (4a) Silica und Oxide der folgenden Elemente umfasst: Germanium, Phosphor und Fluor.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ein weiteres Paar von Kopplungsbereichen (8', 9') umfasst, die in der optischen Faser (2) ausgebildet sind, in jedem von welchen der Mantel (4) im Querschnitt einen weiteren ringförmigen Sektor (7') aufweist, in welchem der Brechungsindex größer als jener des Rests des Mantels (4) ist, wobei die weiteren ringförmigen Sektoren (7') im Wesentlichen dieselbe Winkelposition aufweisen, verschieden von den ringförmigen Sektoren.
Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kopplungsbereich (8', 9') jedes weiteren Paares von Kopplungsbereichen in der Nähe eines jeweiligen Kopplungsbereichs des Paars (8, 9) von Kopplungsbereichen gebildet wird.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen dem Brechungsindex in dem ringförmigen Sektor (7) und dem Brechungsindex des Rests des Mantels (4) mindestens gleich 5 × 10^–4 ist.
Optische Faserfilterungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Filtern nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst, die in Serie verbunden sind.
Optische Faser, die für die Herstellung eines Filters nach Anspruch 1 verwendet werden kann, umfassend einen Kern (3) und einen Mantel (4), wobei der Mantel (4) einen radial inneren Bereich (4a) benachbart zum Kern (3) und einen radial äußeren Bereich (4b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser eine Dual-Mode-Faser in einem zwischen 1500 nm und 1650 nm enthaltenen Wellenlängenband ist und dass der radiale innere Bereich (4a) eine Zusammensetzung aufweist, um eine Veränderung im Brechungsindex zu erhalten, die infolge von thermischer Beanspruchung mindestens gleich 5·10^–4 ist, und um ein asymmetrisches Brechungsindexprofil zu zeigen, wenn er von einem Elektrolichtbogen erhitzt wird, wobei die Zusammensetzung Silica, zwischen 2% und 5% Germanium, zwischen 0,5% und 2% Phosphor und zwischen 1% und 2% Fluor umfasst.
Optische Faser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied n₂ – n₃ zwischen dem Brechungsindex n₂ im radial inneren Bereich (4a) und dem Brechungsindex n₃ im radial äußeren Bereich (4b) zwischen +1·10^–3 und –2·10^–3 ist.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser, durch folgende Tatsache gekennzeichnet: – Vorsehen einer einzelnen optischen Faser, die eine Dual-Mode-Faser in einem zwischen 1500 nm und 1650 nm enthaltenen Wellenlängenband ist und einen Kern und einen Mantel aufweist, wobei der Mantel einen radial inneren Bereich benachbart zum Kern umfasst, und der radial innere Bereich eine photorefraktive Zusammensetzung aufweist, und – Anwenden eines Elektrolichtbogens auf einen ersten und einen zweiten Abschnitt der optischen Faser, um so den Mantel der optischen Faser thermisch auf asymmetrische Weise zu belasten, wobei die optische Faser dadurch ein asymmetrisches Brechungsindexprofil zeigt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolichtbogen zwischen einem Paar von Elektroden erzeugt wird und dass das Verfahren den Schritt des Verschiebens der optischen Faser auf kontrollierte Weise in Bezug auf die Elektroden umfasst, nachdem der Elektrolichtbogen auf den ersten Abschnitt angewendet wurde und bevor der Elektrolichtbogen auf den zweiten Abschnitt angewendet wird.
Optischer Verstärker (37, 40, 42) umfassend mindestens eine optische Verstärkungsstufe (46) und dadurch gekennzeichnet, dass er einen optischen Filter (1) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst, der in Serie mit der optischen Verstärkungsstufe (46) angeordnet ist.
Optisches Telekommunikationssystem umfassend mindestens einen optischen Sender (35), mindestens einen optischen Empfänger (39), eine optische Übertragungsleitung (34), die den Sender (35) mit dem Empfänger (39) verbindet, und mindestens einen optischen Verstärker (37, 40), 42), der entlang der Übertragungsleitung (34) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (37, 40, 42) mindestens eine optische Verstärkungsstufe (46) und einen optischen Filter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst, der in Serie mit der optischen Verstärkungsstufe (46) angeordnet ist.
Modaler optischer Faserkoppler, umfassend: – ein optische Faser (2), die einen Kern (3) und einen Mantel (4) umfasst, und durch welche ein optisches Signal passieren kann; und – einen Koppelungsbereich (8), der in der optischen Faser (2) gebildet ist, um eine Leistungsübertragung zwischen einer ersten und einer zweiten Ausbreitungsmode (LP₀₁, LP₁₁) des optischen Signals zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (2) in dem Kopplungsbereich (8) im Querschnitt ein asymmetrisches Brechungsindexprofil aufweist.
Verfahren zum Filtern eines optischen Signals, wobei das optische Signal in einem Wellenleiter in der fundamentalen Mode LP₀₁ übertragen wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Übertragen des Signals durch einen ersten Wellenleiterbereich mit einem im Querschnitt asymmetrischen Brechungsindexprofil, um so Leistung aus der fundamentalen Mode LP₀₁ zur asymmetrischen Mode LP₁₁ zu übertragen; – Befördern der fundamentalen Mode LP₀₁ und der asymmetrischen Mode LP₁₁ über eine vorbestimmte Entfernung, um so eine relative Phasenverschiebung in Abhängigkeit der Entfernung und der Wellenlänge zu erzeugen; – Übertragen der fundamentalen Mode LP₀₁ und der asymmetrischen Mode LP₁₁ durch einen zweiten Wellenleiterbereich mit einem im Querschnitt asymmetrischen Brechungsindexprofil, um so Leistung zwischen der fundamentalen Mode LP₀₁ und der asymmetrischen Mode LP₁₁ zu koppeln.