DE60127891T2

DE60127891T2 - Optisches Kommunikationssystem und Verfahren zum Schützen eines optischen Wegs

Info

Publication number: DE60127891T2
Application number: DE60127891T
Authority: DE
Inventors: Richard Woodbridge Wyatt; Robert Michael Ipswich Percival; Raman Ville Saint Laurent Kashyap
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: US20020141021A1; ATE360291T1; CA2339345A1; US7162161B2; CA2339345C; DE60127891D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Kommunikationssystem und auf Vorrichtungen für die Verwendung in einem derartigen System sowie auf Verfahren zum Schützen eines optischen Weges. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine optische Sicherung zum Schützen von Netzkomponenten in dem Weg.
Es ist bekannt, dass optische Kommunikationswege optische Wellenleiter, z. B. Lichtleitfasern, und optische Komponenten, z. B. Laser und optische Verstärker, enthalten. Derartige Wege besitzen eine riesige Informationstransportkapazität.
Es ist bekannt, dass ein optischer Weg im Ergebnis von Leistungsstößen eine Beschädigung erleiden kann. Die Wege, die z. B. optische Verstärker enthalten, die mit seltenen Erden dotiert sind, können eine Beschädigung erleiden. Insbesondere wenn ein optischer Verstärker, der mit seltenen Erden dotiert ist, aus einem Zustand, in dem kein Signal eingegeben wird, in einen Zustand, in dem ein Eingangssignal empfangen wird, geht, kann die Vorrichtung einen Leistungsstoß ausgeben. Unter bestimmten Umständen können derartige Leistungsstöße eine Beschädigung an dem Weg verursachen, der stromabseitig der Quelle des Leistungsstoßes Verstärker und Vorrichtungen enthält.
Unter derartigen Umständen kann es notwendig sein, die optischen Wege vor Leistungsstößen zu schützen.
EP 0 943 954 schlägt eine Lösung für dieses besondere Problem vor. Es wird eine optische Sicherung geschaffen, die in einem optischen Weg angeordnet ist und entsprechend Prinzipien arbeitet, die zu einer elektrischen Sicherung ähnlich sind. Die Sicherung ist so beschaffen, dass sie "durchbrennt", wenn optische Strahlung, die sich in einer Stromabwärtsrichtung weg von der optischen Quelle bewegt und auf die Sicherung auftrifft, über einem im Voraus gewählten Schwellenpegel liegt, der durch den Betreiber des Weges gewählt wird. Der Schwellenwert ist so gesetzt, dass unter normalen Betriebsbedingungen die Sicherung nicht "durchbrennt", sie aber im Fall eines Leistungsstoßes "durchbrennt".
Sobald die Sicherung "durchgebrannt" ist, kann sich die Strahlung des Leistungsstoßes nicht länger über die "durchgebrannte" Sicherung hinaus ausbreiten. Die Sicherung ist zwischen zwei Lichtleitfasern angeordnet, wobei sie eine erste Schicht, die sich erwärmt, wenn sie optischer Strahlung ausgesetzt ist, und eine zweite Schicht, die in Abhängigkeit vom gewählten Material ihre Transparenz oder ihr Reflexionsvermögen verliert, wenn sie erwärmt wird, umfasst. Die Schichten sind so bemessen und beschaffen, dass, wenn eine optische Strahlung über dem im Voraus gewählten Schwellenwert auf die erste Schicht auftrifft, ausreichend Wärme erzeugt wird, um die zweite Schicht zu veranlassen, in Abhängigkeit vom gewählten Material ihre Transparenz oder ihr Reflexionsvermögen zu verlieren. Folglich kann sich das optische Signal nicht länger von der ersten zur zweiten Lichtleitfaser ausbreiten. Die Sicherung kann nicht zurückgesetzt werden. Sobald die Sicherung "durchgebrannt" ist, muss sie ersetzt werden, bevor der Weg normal arbeiten kann. Vorausgesetzt, der Leistungspegel bleibt unter dem im Voraus gewählten Schwellenpegel, verbleibt die Sicherung transparent oder reflektierend, wobei sie folglich die weitere Ausbreitung eines optischen Signals erlaubt.
Ein Nachteil der in EP 0 943 954 vorgeschlagenen Sicherung besteht darin, dass die Herstellung der Vorrichtungen komplex ist. Ferner ist die in EP 0 943 954 beschriebene Sicherung für die oben beschriebene besondere Anwendung des Aufhaltens der Ausbreitung eines Leistungsstoßes konstruiert worden. Es ist jedoch festgestellt worden, dass eine Lichtleitfaser, die ein optisches Signal transportiert, zusätzlich zu Leistungsstößen anderen optischen Phänomenen unterworfen sein kann, die die Faser beschädigen können.
Im Ergebnis der riesigen Informationstransportkapazität eines optischen Kommunikationsweges gibt es einen wachsenden Bedarf an optischen Kommunikationswegen, um eine zunehmende Menge von Informationen zu transportieren. Deshalb gibt es ein großes Interesse am Entwickeln von Verfahren zur Vergrößerung der Übertragungskapazität für optische Wege. Ein Verfahren ist die Wellenlängenmultiplexierung (WDM), bei der mehrere Datenkanäle auf verschiedenen Wellenlänge gleichzeitig in derselben Faser transportiert werden. Folglich sind die durch den Wellenleiter transportierten Informationen und außerdem der Betrag der durch den Wellenleiter übertragenen Leistung in Übereinstimmung mit der durch jede Faser transportierten Anzahl der Kanäle vergrößert.
Obwohl es bekannt ist, dass optische Wellenleiter Hochleistungssignale übertragen können, ohne irgendeine Beschädigung zu erleiden, ist festgestellt worden, dass ein optischer Wellenleiter eine katastrophale selbstausbreitende Beschädigung erleiden kann, falls er, während er ein Hochleistungssignal überträgt, einem externen Reiz ausgesetzt ist. Derartige Reize sind in Electronics Letters, 2. März 2000, Bd. 36, Nr. 5, Seiten 414-416, erörtert und können z. B. das Brechen oder Zerschneiden des Wellenleiters sein, sie können aber außerdem irgendein extern angewandter mechanischer Stoß sein, der den Faserweg nicht selbst unterbricht, wie z. B. das Biegen der Lichtleitfaser. Dieser Effekt wird als "selbstangetriebene selbstfokussierende Beschädigung" bezeichnet und ist der Gegenstand von EP 0 309 234 . Der Mechanismus kann durch eine zufällige Beschädigung eines Faserkabels gestartet werden, das mehr als etwa in der Größenordnung von 1 Watt optische Leistung transportiert, wobei er gesehen worden ist, wenn ein gebrochenes Faserende mit einer absorbierenden Oberfläche in Kontakt gelangt. Die Beschädigung kann als eine blauweiße plasmaähnliche lokalisierte Emission beobachtet werden, die sich mit einer Geschwindigkeit von einigen zehn Zentimetern pro Sekunde oder höher in einer Stromaufwärtsrichtung längs der Faser zurück zur Quelle der optischen Leistung bewegt. Die Leistung, die erforderlich ist, um die Ausbreitung der Beschädigung aufrechtzuerhalten, wird durch das optische Signal "angetrieben". Die Beschädigung breitet sich folglich längs der Faser in einer Richtung zur Quelle des optischen Signals aus und wird vom optischen Signal versorgt. Die Ausbreitung der Beschädigung setzt sich fort, solange wie die Faser ein Signal transportiert, das eine Leistung über etwa der Größenordnung von 1 Watt aufweist (der genaue Leistungspegel, der erforderlich ist, um eine derartige Beschädigung zu verursachen und aufrechtzuerhalten, hängt von den Eigenschaften der Faser ab).
In WDM-Systemen kann die kombinierte optische Leistung der Datenkanäle über 1 Watt liegen. Wie oben erwähnt worden ist, kann die Beschädigung auftreten, falls eine Faser, die mehr als etwa 1 Watt überträgt, einem externen Reiz ausgesetzt ist, wobei es folglich ein reales Risiko dieser katastrophalen Beschädigung in derartigen WDM-Systemen gibt.
Ein Nachteil der in EP 0 943 954 beschriebenen optischen Sicherung besteht darin, dass sie in der oben beschriebenen Situation nicht geeignet sein würde. Die Sicherungen in EP 0 943 954 sind geeignet, um einen optischen Leistungsstoß, der sich in einer Stromabwärtsrichtung bewegt, daran zu hindern, irgendwelche optischen Komponenten zu beschädigen, die stromabseitig des Ursprungs des Leistungsstoßes angeordnet sind. Sie sind so konstruiert, dass sie durchbrennen, wenn ein optischer Verstärker einen Stoß in der optischen Leistung erleidet. Sie sind so konstruiert, dass sie unter den Betriebsbedingungen nicht durchbrennen, die in einem optischen Weg auftreten, der so konstruiert worden ist, um unter diesen Betriebsbedingungen zu arbeiten. Die selbstangetriebene selbstfokussierte Beschädigung tritt jedoch bei normalen Hochleistungs-Übertragungsbedingungen auf und führt zu einer katastrophalen Beschädigung des optischen Weges, die sich in einer Richtung stromaufwärts des Ursprungs der selbstangetriebenen selbstfokussierten Beschädigung ausbreitet.
Eine Sicherung, die für das Aufhalten der Beschädigung geeignet ist, darf nicht bei der optischen Betriebsleistung des Systems durchbrennen, sondern sie muss die Ausbreitung der Beschädigung über die Stelle hinaus verhindern, an der sich die Vorrichtung befindet, sollte die Beschädigung auftreten.
Obgleich es wahrscheinlich ist, dass die Sicherung nach EP 0 943 954 durchbrennen würde, falls sie der katastrophalen Beschädigung ausgesetzt wäre, ist sie nicht geeignet, weil sie die Beschädigung nicht aufhalten würde, weil die Quelle der optischen Leistung, die die Beschädigung antreibt, nicht unterbrochen werden würde. In der Tat könnte die Sicherung nach EP 0 943 954 sogar eine selbstangetriebene selbstfokussierende Beschädigung auslösen, die auf die Wärme zurückzuführen ist, die erzeugt wird, wenn die Sicherung im Ergebnis eines sich stromabwärts ausbreitenden Leistungsstoßes durchbrennt. Während sich die Beschädigung durch die Sicherung ausbreitet, würde sie fortgesetzt durch das optische Signal angetrieben, das in einer Stromabwärtsrichtung in der entgegengesetzten Richtung zur sich ausbreitenden Beschädigung übertragen wird. Die Beschädigung würde nicht aufgehalten werden, bis das optische Signal ausgeschaltet worden ist. Die einzige Lösung würde darin bestehen, sicherzustellen, dass die Systeme, in denen die Sicherungen nach EP 0 943 954 verwendet werden, bei optischen Leistungen unter der Schwellenleistung betrieben werden, über der die katastrophale Beschädigung auftritt. Im Ergebnis des vergrößerten Bedarfs an einer höheren Kapazität in Lichtleitfasern kann das Betreiben optischer Kommunikationswege unter diesem Schwellenwert nicht immer erwünscht sein.
US-A-4 973 125 offenbart einen Selbstbegrenzer für die Faseroptik. Der Begrenzer enthält eine optoelektronische Halbleitervorrichtung. Zwischen der Vorrichtung und der Systemfaser ist ein Luftspalt vorgesehen. Die Größe des Spalts bestimmt die bereitgestellte Selbstbegrenzungswirkung.
US-A-6 014 396 offenbart eine aufgeweitete (flared) optoelektronische Halbleitervorrichtung. Die in US-A-4 973 125 und US-A-6 014 396 offenbarten Vorrichtungen leiden an dem Nachteil, dass die Halbleitervorrichtungen so eingekapselt sein müssen, dass ihre Integration in das Lichtleitfasersystem ermöglicht wird. Ferner leidet US-A-6 014 396 an dem zusätzlichen Nachteil, dass die Vorrichtung so konstruiert und eingekapselt sein muss, dass die Abmessungen des Luftspalts genau hergestellt und aufrechterhalten werden.
US-A-4 973 125 offenbart einen optischen Selbstbegrenzer.
Die vorliegende Erfindung versucht, eine Vorrichtung zu schaffen, die Übertragung optischer Signale unter verschiedenen Betriebsbedingungen erlaubt, aber eine katastrophale Beschädigung aufhält, die in der Faser auftreten kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 1 geschaffen.
Folglich sind gemäß der Erfindung die Wegkomponenten, die im Weg der sich ausbreitenden durch die Lichtleistung induzierten Beschädigung angeordnet sind, geschützt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 8 geschaffen.
Damit die Erfindung vollständiger verstanden werden kann, werden nun ihre Ausführungsformen beispielhaft und als Gegensatz zu einer Vorrichtung des Standes der Technik, wie sie vorher beschrieben worden ist, beschrieben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, worin:
1 eine optische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine optische Vorrichtung, die einen optischen Verstärker enthält, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die einer katastrophalen Beschädigung unterworfen ist;
3 einen optischen Kommunikationsweg zeigt, der optische Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
4 einen optischen Kommunikationsweg zeigt, der zwei Netze enthält;
5 eine Verbindungsanordnung zum Verbinden von zwei optischen Kabeln zeigt;
6 eine Pumplaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 zeigt, wie sich die Geschwindigkeit der Ausbreitung einer katastrophalen Beschädigung als eine Funktion der optischen Leistung des in einer Lichtleitfaser übertragenen Signals für drei Fasern A, B und C verändert; und
8 zeigt, wie sich die Geschwindigkeit der Ausbreitung einer katastrophalen Beschädigung als eine Funktion der Leistungsdichte des in einer Lichtleitfaser übertragenen Signals für drei Fasern A, B und C verändert.
Ausführliche Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung zeigt 1 eine optische Vorrichtung 10, die eine optische Komponente 12 enthält, die in einem Behälter 14 untergebracht ist. Die optische Komponente 12 in 1 ist ein herkömmlicher eingekapselter optischer Verstärker. Das aktive Element 20 umfasst eine Länge einer erbium-dotierten Faser, die typischerweise mehrere Meter lang auf einem (nicht gezeigten) Dorn aufgewickelt ist. Ein Pumplaser 11 und eine Leistungsversorgung für den Pumplaser 13 sind außerdem vorgesehen. Die Ausgabe aus dem Pumplaser wird in einen Multiplexierungs-Koppler 22 eingespeist, wobei sie über den Koppler in die Länge der erbium-dotierten Faser in einer Richtung im Uhrzeigersinn eingeleitet wird. Der Ausgang aus dem Koppler, der das Pumplicht transportiert, ist in die Länge der erbium-dotierten Faser thermisch gespleißt. Das Licht vom Pumplaser 11 in der Länge der dotierten Faser 20 regt Erbium-Atome an und hebt sie auf ein höheres Energieniveau.
Das zu verstärkende optische Signal wird am Eingang 18 in den optischen Verstärker eingespeist. Am Eingang ist ein optischer Isolator 16 vorgesehen, um zu verhindern, dass gestreutes Licht in den Verstärker eingegeben wird. Das zu verstärkende optische Signal wird über den Multiplexierungs-Koppler 22 in die Länge der dotierten Faser 20 gekoppelt. Das Pumplicht und das Signal breiten sich gemeinsam in der Länge der erbium-dotierten Faser aus. Das zu verstärkende optische Eingangssignal regt die angeregten Erbium-Atome an, damit sie ihre Überschussenergie als Licht bei der Signalwellenlänge und gleichphasig mit dem optischen Eingangssignal emittieren. Das verstärkte Signal verlässt den Verstärker über den Ausgang 17. Am Ausgang 17 ist ein optischer Isolator 15 vorgesehen, um zu verhindern, dass gestreutes Licht in den Verstärker eintritt. Durch ein (nicht gezeigtes) Filter, das zwischen dem Koppler 22 und der Länge der dotierten Faser 20 angeordnet ist, wird verhindert, dass irgendwelches Pumplicht den Verstärker über den Eingang verlässt.
Es ist selbstverständlich, dass die Leistung des Faserverstärkers durch die Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit, beeinflusst werden kann. Ferner kann die Leistung durch physikalische Störungen beeinflusst werden. Aus diesen Gründen ist es üblich, den Faserverstärker innerhalb eines Behälters 14, der typischerweise dicht ist, vorzugsweise hermetisch dicht ist, vorzusehen. In 1 sind die Leistungsversorgung für den Pumplaser und der Pumplaser als innerhalb des Behälters 14 angeordnet dargestellt. In einigen Anwendungen, wie z. B. einem Verstärker für die Verwendung in Unterwasserkabeln, ist es jedoch bevorzugt, einen Pumplaser und eine Leistungsversorgung an einem entfernten Ort anzuordnen. Soweit ist die beschriebene optische Vorrichtung herkömmlich.
Die optische Vorrichtung 10 in 1 ist ferner mit einem Modenfeldradius-Umformer 23 versehen, der die Form eines Lichtleitfaserabschnitts annehmen kann, der als eine Sicherung arbeitet, um die durch den Behälter 14 beherbergte optische Komponente 12 vor einer katastrophalen Beschädigung zu schützen, die sich zur optischen Komponente 12 ausbreitet.
Wie wohlbekannt ist, wird das Licht einer Lichtleitfaser durch den Faserkern geführt, aber in der Praxis bewegt sich das Licht im Kern und im unmittelbar angrenzenden Mantel, wobei sich die optische Intensität typischerweise entsprechend einer etwa Gaußschen Verteilung über die Faser von einer Spitze innerhalb des Faserkerns verändert. Für Einmodenfasern ist, falls die Radialfeldverteilung der Grundwelle als eine genau Gaußsche Verteilung angenommen wird, die Fleckgröße der Abstand von der Faserachse, bei der die Feldamplitude 1/e = 0,37 und die Intensität 1/e² = 0,135 der entsprechenden Werte auf der Achse beträgt. Der Modenfelddurchmesser beträgt das doppelte der Fleckgröße. Unter Verwendung dieser Konvention besitzt der Modenfeldradius den gleichen Wert wie die Fleckgröße. Die Modenfeldbreite ist ein weiterer Begriff für den Modenfelddurchmesser.
Für gegebene Faserparameter kann der Modenfeldradius vergrößert werden, falls der Kerndurchmesser ausreichend verringert wird. Dies kann z. B. erreicht werden, indem ein Einschnürungsabschnitt in einem Lichtleitfaserabschnitt vorgesehen wird. Die Vergrößerung des Modenfeldradius verringert für einen gegebenen Leistungspegel die Leistungsdichte. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben dieses Wissen auf das Problem der selbstfokussierenden katastrophalen Beschädigung angewandt, wobei sie erkannt haben, dass es möglich ist, ein Mittel zu schaffen, um die Ausbreitung einer derartigen Beschädigung zu begrenzen. Indem ein Faserabschnitt, der einen Einschnürungsabschnitt mit einem ausreichend kleinen Kerndurchmesser oder einer ausreichend kleinen Querschnittsfläche aufweist, an einem geeigneten Punkt in eine Übertragungsverbindung aufgenommen wird, ist es möglich, an diesem Punkt jede selbstfokussierende katastrophale Beschädigung, die diesen Punkt erreicht, anzuhalten. Während des Routinebetriebs können jedoch (im Gegensatz zu den optischen Sicherungen des in EP-A-0 943 954 gelehrten Typs) hohe Leistungspegel durch diesen Punkt ohne irgendeine leistungsbegrenzende Wirkung hindurchgehen.
Zweckmäßig ist der Abschnitt mit verringertem Kerndurchmesser durch einen Einschnürungsabschnitt in einem Lichtleitfaserabschnitt vorgesehen. Der Einschnürungsabschnitt kann in einem Abschnitt einer herkömmlichen Faser ausgebildet werden (typischerweise indem die Faser gezogen wird, während die Faser durch Wärme weich gemacht wird). Alternativ wird jedoch ein Lichtleitfaserabschnitt (oder eine andere geeignete Form des optischen Wellenleiters) mit einem großen Modenfeldradius an dem geeigneten Punkt zwischen den Systemfasern positioniert.
Die katastrophale Beschädigung, die außerdem als eine selbstangetriebene selbstfokussierende Beschädigung bezeichnet wird, ist ein thermisch angetriebenes Phänomen, wobei sie die Wirkung besitzt, den Kern von Kilometern der Länge der Faser irreparabel zu beschädigen. Das Phänomen ist in zwei Aufsätzen von Raman Kashyap erörtert, "Self-propelled Self-focussing damage in optical fibres", Proceedings of the International Conference an Lasers '87, 7.-11. Dezember 1987, Seiten 859-866, und Electronic Letters, 7. Januar 1988, Bd. 24, Nr. 1, Seiten 47-49. Es ist bekannt, dass bei optischen Leistungsdichten von 1,5-2 MW/cm², was zur optischen Leistung in der Größenordnung von 1 Watt in einer Einmodenfaser äquivalent ist, die selbstangetriebene selbstfokussierende Beschädigung in Lichtleitfasern auftreten kann. Die Beschädigung führt zur Bildung von regelmäßigen Hohlräumen im Kern der Lichtleitfaser, die Abmessungen in der Größenordnung von einigen Mikrometern besitzen.
Die optische Schwellen-Leistungsdichte, über der eine katastrophale Beschädigung auftreten kann, unterscheidet sich in Abhängigkeit von der Lichtleitfaser. Insbesondere ist der Schwellenwert der optischen Dichte eine Funktion der Zeitkonstante der Wärmediffusion der speziellen Lichtleitfaser, die zum Quadrat des Modenfeldradius des durch die spezielle Faser übertragenen optischen Signals umgekehrt proportional ist. Der Modenfeldradius eines durch eine spezielle Faser übertragenen optischen Signals ist durch bestimmte Eigenschaften der Faser und durch die Wellenlänge der im optischen Signal übertragenen Strahlung bestimmt. Für eine spezielle Faser ist der Modenfeldradius für ein Signal mit einer bestimmten Wellenlänge durch das Profil des Brechungsindex der Lichtleitfaser, die maximale Differenz des Brechungsindex zwischen den Kern und dem Mantel der Lichtleitfaser und den Durchmesser des Kerns bestimmt. Das Profil des Brechungsindex beschreibt, wie sich der Brechungsindex der Faser als eine Funktion des Abstands von der Mitte der Faser ändert, wobei er z. B. abgestuft sein kann oder sich mit einer konstanten Rate ändern kann (Dreieck).
In den im Folgenden gezeigten Beispielen ist eine Einmoden-Siliciumoxid-Faser genommen worden. Der Fachmann würde verstehen, dass eine Mehrmodenfaser und Lichtleitfasern mit anderen Zusammensetzungen andere Eigenschaften besitzen würden.

Es werden zwei Fasern A und B genommen, um die Ausbreitungseigenschaften zu vergleichen. Die Eigenschaften jeder Faser A und B sind in der Tabelle 1 gezeigt. Mit einem Nd:YAG-Laser, der bei 1,064 Mikrometer arbeitete, wurden bei mittleren Leistungspegeln, die zwischen 0,7 und 2,4 Watt variierten, sowohl im Dauerstrich- als auch im modenstarren Betrieb mehrere Messungen ausgeführt. Mit einem Argon-Laser, der bei 514 Nanometer arbeitete, wurden außerdem für den Dauerstrichbetrieb mit Leistungen, die sich zwischen 0,5 bis 2,25 Watt erstreckten, Messungen an der Faser B ausgeführt. Wie vorher erwähnt worden ist, kann eine katastrophale Ausbreitung durch einen externen Reiz ausgelöst werden. Dies kann eine Erwärmung sein, es kann aber außerdem einen mechanischen Stoß auf die Faser enthalten. Für die Daten, die in der Tabelle 1 und in den 6 und 7 gezeigt sind, wurde die katastrophale Beschädigung entweder unter Verwendung einer Bogenverschmelzungs-Spleißmaschine, um eine hohe Temperatur am Ausgangsende der Faser zu erzeugen, während sie ein optisches Signal mit einer Leistung im oben ausführlich dargelegten Bereich transportiert, oder durch Berührung des Endes der Faser mit einer absorbierenden Oberfläche ausgelöst. Die durch das optische Signal von dem Nd:YAG-Laser bei 1,064 Mikrometer verursachte katastrophale Beschädigung wurde als ein intensives blauweißes lokalisiertes Glühen der Faser beobachtet, das sich zur Laserquelle ausbreitete. Die durch die Strahlung von einem Argon-Laser bei 514 Nanometer verursachte Beschädigung ist durch eine Schutzbrille, die die Argon-Linie blockiert, als eine plasmaähnliche Emission sichtbar.

Faser	Profil	Spitze-Delta n	Kerndurchmesser (Mikrometer)	Modenfeldradius (bei Wellenlänge)
A	Stufe	4 × 10^–3	8,05	6,04 (1,064 μm)
B	Dreieck	5,48 × 10^–3	5,40	4,86 (1,064 μm)
B	Dreieck	5,48 × 10^–3	5,40	3,30 (514 nm)

Tabelle 1: Die Parameterdaten für die Fasern A und B

7 zeigt die Geschwindigkeit der Ausbreitung der katastrophalen Beschädigung für jede Faser A und B in Bezug auf die optische Leistung der Signaleingabe in die Faser durch die Nd:YAG- bzw. Argon-Laser. 7 zeigt, dass in dem Bereich der gezeigten graphischen Darstellungen, der für die Eingangsleistungen zwischen 1 Watt und 2,5 Watt gilt, eine lineare Beziehung zwischen der Eingangsleistung und der Geschwindigkeit der Ausbreitung der katastrophalen Beschädigung vorhanden ist. Es ist zu sehen, dass sich die Art der linearen Beziehung jedoch in Abhängigkeit von den oben in der Tabelle 1 gezeigten Fasereigenschaften ändert.
In Bezug auf 8 ist eine graphische Darstellung der gemessenen Werte (der Datenpunkte) und der berechneten Werte (der ununterbrochenen Kurven) für die Geschwindigkeit der Ausbreitung der katastrophalen Beschädigung als eine Funktion der Leistungsdichte des durch die Lichtleitfasern A und B übertragenen optischen Signals gezeigt. Die Faser A wurde unter Verwendung einer Absorption von 4 % Mikrometer^–1 (was einem Absorptionskoeffizienten von 4 × 10² cm^–1 entspricht) bei 1,064 Mikrometer betrieben. Die Faser B wurde unter Verwendung eines Absorptionsfaktors von 4 % Mikrometer^–1 (was einem Absorptionskoeffizienten von 4 × 10² cm^–1 entspricht) bei 1,064 Mikrometer betrieben. Die Faser B wurde außerdem unter Verwendung eines Absorptionsfaktors von etwa 9 % Mikrometer^–1 (was einem Absorptionskoeffizienten von 9,4 × 10² cm^–1 entspricht) bei 514 Nanometer betrieben. Der Absorptionsfaktor der Lichtleitfaser ändert sich als eine Funktion der Temperatur der Lichtleitfaser. Diese Beziehung ist von Kashyap u. a., "Hegt flow modelling and visualisation of catastrophic self propagating damage in single mode optical fibres at low powers"', 28^th Annual Boulder Damage Symposium, Laser induced damage in optical materials 1996, SPIE, Bd. 2966, Seiten 586-591, untersucht worden. Der Absorptionsfaktor besitzt einen Extinktionskoeffizienten mit einem Urbach-Tail, wie es in Urbach, F., Phys. Rev. 92, 1324, 1953, erörtert ist, was bedeutet, dass der Absorptionskoeffizient bei irgendeiner gegebenen Temperatur eine Funktion der Photonenenergie und folglich der Wellenlänge des sich ausbreitenden optischen Signals ist. Folglich beträgt für ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von 1,064 Mikrometer der Absorptionskoeffizient 4 × 10² cm^–1, während für ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von 514 Nanometer der Absorptionskoeffizient 9,4 × 10² cm^–1 beträgt. Aus 8 ist ersichtlich, dass die lineare Beziehung, wie sie durch den Anstieg der graphischen Darstellung ersichtlich ist, durch die Wahl des Absorptionsfaktors beeinflusst wird.
Es ist festgestellt worden, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer katastrophalen Beschädigung als eine Funktion der Leistungsdichte des durch jede Lichtleitfaser übertragenen optischen Signals ändert. Ferner nimmt für eine feste Leistungsdichte die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Beschädigung als eine Funktion des Modenfeldradius zu. Die Vergrößerung des Modenfeldradius vergrößert die Wärmeerzeugung. Die noch weitere Wärme, die in der Faser erzeugt wird, wie sich die Beschädigung ausbreitet, vergrößert die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Beschädigung. Unter Bezugnahme auf 8 ist jedoch ersichtlich, dass der Modenfeldradius für die Faser B, die bei 514 Nanometer arbeitet, 3,30 Mikrometer beträgt, was kleiner als für die Fasern A und B ist, die bei 1,064 Mikrometer arbeiten. Sogar für eine gegebene Leistungsdichte ist die Geschwindigkeit der Ausbreitung höher als für die Fasern A und B, die bei 1,064 Mikrometer arbeiten. Dies kann unter Bezugnahme auf den Absorptionskoeffizienten erklärt werden. Selbst wenn das 514-Nanometer-Signal, wie es in der Faser B übertragen wird, einen kleineren Modenfeldradius besitzt und weniger Wärme erzeugt, wird die erzeugte Wärme leichter absorbiert, wobei sich folglich die Geschwindigkeit der Ausbreitung vergrößert. Wie vorher erwähnt worden ist, verändert sich der Absorptionskoeffizient als eine Funktion der Wellenlänge. Das 514-nm-Signal mit kürzerer Wellenlänge führt zu einem höheren Absorptionskoeffizienten in der Faser B als das 1,064-Mikrometer-Signal mit längerer Wellenlänge in der Faser B.
Es ist ersichtlich, dass die Beziehung zwischen der Leistungsdichte und Ausbreitungsgeschwindigkeit der katastrophalen Beschädigung über den ganzen berechneten Bereich von 0 bis 30 MWcm^–2, der in 8 gezeigt ist, nichtlinear ist. Die Beziehung erscheint für Leistungsdichten in der Größenordnung zwischen 8-30 MWcm^–2, d. h. für höhere Leistungsdichten, linear. Für Leistungsdichten in der Größenordnung von etwa 0-8 MWcm^–2, d. h. bei niedrigeren Leistungsdichten, ist die Beziehung nichtlinear. Bei niedrigeren Leistungsdichten breitet sich die Wärme vom Kern der Lichtleitfaser aus, bevor sie in den Bereich der sich ausbreitenden Beschädigung absorbiert werden kann, um folglich die weitere Ausbreitung der Beschädigung zu verursachen. Dieser Effekt ist für die berechnete Krümmung der in 8 gezeigten graphischen Darstellung verantwortlich. Für jene Fasern A und B, die unter den oben gegebenen Bedingungen arbeiten, erzeugt dieser Effekt eine Schwellenleistungsdichte, unter der sich die katastrophale Beschädigung nicht ausbreiten kann. Ferner verbleibt bei einer speziellen Leistungsdichte, die im Experiment beobachtet wurde, die Beschädigung stationär. Dies tritt auf, wo der Wärmeverlust gleich der Wärmeeingabe ist. Für die gezeigten Beispiele beträgt der berechnete Schwellenwert, unter dem sich die ka tastrophale Beschädigung nicht ausbreiten kann, etwa 1 MWcm^–2, was einer optischen Leistung von etwa 0,125 W im Mittel für eine Einmoden-Systemfaser entspricht. Folglich wird das Konzept der aufrechterhaltenden Leistungsdichte begründet. Es gibt eine kritische Leistungsdichte, unter der die Ausbreitung der katastrophalen Beschädigung aufhört. Der Modenfeld-Umformer ist so konstruiert, dass er die Leistungsdichte unter diesen kritischen Schwellenwert verringert.
Wie vorher erwähnt worden ist, zeigt der Bereich der graphischen Darstellung bei höheren Leistungsdichten eine stärker lineare Kennlinie. Insbesondere ist der Anstieg jeder Linie für beide Fasern A und B und für die Faser B, die bei beiden Wellenlängen arbeitet, etwa gleich. Daraus wird abgeleitet, dass die Energiedichte, die erforderlich ist, damit sich die katastrophale Beschädigung ausbreitet, für diese Fasern A und B und unter diesen gegebenen Betriebsbedingungen eine Konstante 5 × 10-12 m^–3J^–1 ist.
Es ist selbstverständlich, dass sich der Schwellenwert und der Energiedichtewert, die oben identifiziert worden sind, in Abhängigkeit von vielen Faktoren, einschließlich der Konstruktion und Konfiguration der Faser und der Betriebswellenlänge des optischen Signals verändern. Ferner unterscheiden sich diese Werte für Mehrmodenfasern abermals.
Es ist festgestellt worden, dass die Ausbreitung der katastrophalen Beschädigung in einer Lichtleitfaser, die ein optisches Hochleistungssignal transportiert, außer durch die oben erörterten Reize außerdem ausgelöst werden kann, indem die Faser verschiedenen externen Reizen ausgesetzt wird. Derartige Reize können umfassen, dass die Lichtleitfaser gebrochen wird, wobei sie mit einer absorbieren Oberfläche in Kontakt gebracht wird, um die lokalisierte Erwärmung des gebrochenen Endes zu verursachen, oder dass die Faser der Wärme ausgesetzt wird. Es ist festgestellt worden, siehe Electronic Letters, 2. März 2000, Bd. 36, Nr. 5, Seiten 414-416, dass es nicht notwendig ist, die Faser zu brechen, um eine katastrophale Beschädigung auszulösen. Die Beschädigung kann ausgelöst werden, indem die Faser gebogen wird. Sobald die katastrophale Beschädigung in der Faser ausgelöst worden ist, erfordert sie eine Energiequelle, um ihre Ausbreitung anzutreiben. Es ist festgestellt worden, dass optische Signale mit einer optischen Leistung in der Größenordnung von 1 Watt oder mehr die Ausbreitung der Beschädigung längs der Faser antreiben können. Dann breitet sich die Beschädigung in einer Richtung zur Quelle der optischen Leistung aus.
Die vorliegende Erfindung schafft Mittel, um die Ausbreitung der katastrophalen Beschädigung in einer Lichtleitfaser anzuhalten. Dies wird erreicht, indem ein Modenfeldradius-Umformer an Orten längs eines optischen Weges vorgesehen wird, an denen es erwünscht ist, die weitere Ausbreitung der optischen Beschädigung zu verhindern. Wird daran gedacht, dass sich die optische Beschädigung in einer Stromaufwärtsrichtung zur Quelle der optischen Leistung ausbreitet, können sich die Orte oder identifizierten Stellen z. B. direkt stromabseitig von teuren Wegkomponenten, wie z. B. Verstärkern oder optischen Quellen, befinden. Alternativ können sich jene Orte an den Punkten in einem optischen Weg befinden, wo ein Betreiber des Weges die Steuerung dieses Weges an eine dritte Partei abtritt. Dies ist die Situation, in der ein Betreiber eine Reservefaser innerhalb seines eigenen Weges an einen weiteren Betreiber verlegst.
Der Modenfeldradius-Umformer, der an den identifizierten Stellen angeordnet ist, arbeitet, um den Modenfeldradius des bei der optischen Leistung übertragenen optischen Signals zu vergrößern, um die Leistungsdichte unter jene zu bringen, die erforderlich ist, um die Ausbreitung der katastrophalen Beschädigung aufrechtzuerhalten. Folglich vergrößert in den beschriebenen Systemen der Modenfeldradius-Umformer den Modenfeldradius des optischen Signals, um die Leistungsdichte unter 1 MWcm^–2 zu bringen, was der approximierte Wert der oben beschriebenen aufrechterhaltenden Leistungsdichte ist.
Der Modenfeldradius-Umformer kann verschiedene Mittel enthalten. Der Modenfeldradius-Umformer enthält einen Lichtleitfaserabschnitt. Der Lichtleitfaserabschnitt enthält einen Einschnürungsabschnitt. Vorzugsweise besitzt der Einschnürungsabschnitt einen Durchmesser oder eine Querschnittsfläche, der bzw. die kleiner als der Durchmesser oder die Querschnittsfläche der Systemfaser oder des Faseranschlusses ist. Der Lichtleitfaserabschnitt wird unter Verwendung herkömmlicher Techniken an die Systemfaser oder an einen Faseranschluss gespleißt. Der Lichtleitfaserabschnitt, die Systemfaser und der Faseranschluss enthalten vorzugsweise eine Glaszusammensetzung. Der im Modenfeldradius-Umformer enthaltene Lichtleitfaserabschnitt kann vorzugsweise außer den Einschnürungsabschnitt außerdem zwei weitere Lichtleitfaserabschnitte enthalten, zwischen denen der Einschnürungsabschnitt angeordnet ist. Der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Einschnürungsabschnitts ist kleiner als der Durchmesser oder die Querschnittsfläche der zwei Abschnitte, zwischen denen sich der Einschnürungsabschnitt befindet.
Der Modenfeldradius-Umformer wird, wie vorher erwähnt worden ist, durch Erwärmen und Ziehen eines Lichtleitfaserabschnitts gebildet. Die Querschnittsfläche längs der Langsachse des gezogenen Lichtleitfaserabschnitts ändert sich in Übereinstimmung mit den Bedingungen, unter denen er gebildet worden ist. Die Querschnittsfläche befindet sich jedoch an den Punkten, an denen der Lichtleitfaserabschnitt gehalten wird, auf einem Maximum, während sie sich zwischen den zwei Endabschnitten auf einem Minimum befindet. Die Querschnittsfläche kann sich längs der Längsachse vom Einschnürungsabschnitt zu jedem Ende kontinuierlich ändern.
Der Modenfeldradius-Umformer kann außerdem als eine konisch zulaufende Lichtleitfaser enthaltend beschrieben werden.
Er kann jedoch andere Formen annehmen. Am identifizierten Ort arbeitet z. B. ein geeignet bemessener Luftspalt, der zwischen den zwei Faserenden vorgesehen ist, die verarbeitet worden sind, damit sie eine sphärische Linse enthalten, außerdem, um den Modenfeldradius eines durch eine der Fasern übertragenen optischen Signals umzuformen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ein Lichtleitfaserabschnitt so bemessen sein kann, dass, wenn ein optisches Signal durch diesen Abschnitt übertragen wird, sein Modenfeldradius vergrößert wird. Folglich wird für eine gegebene optische Leistung, falls der Modenfeldradius vergrößert wird, die optische Dichte verringert. Der Betrag, um den der Modenfeldradius zunimmt, kann gesteuert werden, indem die Abmessungen des konisch zulaufenden Abschnitts gewählt werden. Unter Verwendung der oben angegebenen Beispiele ist der konisch zulaufende Abschnitt so be messen, dass die optische Dichte im konisch zulaufenden Abschnitt kleiner als 1 MWcm^–2 ist, was der approximierte Wert der oben beschriebenen aufrechterhaltenden Leistungsdichte ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben außerdem erkannt, dass, falls Modenfeld-Umformer an Orten in einem optischen Weg angeordnet sind, ihr Vorhandensein die Kommunikationen längs des Weges nicht beeinflusst. Es ist außerdem beobachtet worden, dass ein optisches Signal, das durch einen Modenfeld-Umformer hindurchgeht, im Ergebnis der Übertragung durch einen Modenfeld-Umformer keine wesentlichen optischen Leistungsverluste erleidet. In dem Fall, in dem sich die katastrophale Beschädigung zu dem Ort ausbreitet, wo sich der Modenumformer befindet, wird sie jedoch an diesem Ort angehalten. Vorzugsweise werden die Orte identifiziert, indem die Orte von Wegkomponenten innerhalb des optischen Weges, Orte, an denen eine Beschädigung ausgelöst werden kann, Punkte in dem Weg, wo der Wegbetreiber wünschen kann, die Steuerung dieses Wegs abzutreten, und die Richtung der Ausbreitung, die irgendeine katastrophale Beschädigung wahrscheinlich nimmt, d. h. zu einer optischen Quelle, in Betracht gezogen werden. Durch das Identifizieren der Orte unter Verwendung dieser Kriterien werden Wegkomponenten geschützt und wird irgendeine Beschädigung, die in dem Weg auftreten kann, sobald wie möglich aufgehalten.
Wie oben erwähnt worden ist, nimmt der Modenfeld-Umformer vorzugsweise die Form eines Lichtleitfaserabschnitts an. Der für den Abschnitt gewählte Fasertyp hängt von der besonderen Anwendung ab. Im Prinzip kann jedoch jeder Fasertyp für den Abschnitt verwendet werden.
Es ist festgestellt worden, dass durch das Steuern der Abmessungen des Lichtleitfaserabschnitts, insbesondere des Durchmessers oder der Querschnittsfläche eines Einschnürungsabschnitts des Lichtleitfaserabschnitts, der aus dem wellenleitenden Bereich entweichende Betrag der optischen Leistung gesteuert werden kann. Es ist z. B. festgestellt worden, dass durch das Aufnehmen eines konisch zulaufenden Abschnitts, der einen Durchmesser von 1 Mikrometer besitzt, die Leistungsdichte eines optischen Signals mit der optischen Leistung in der Größenordnung von 1 Watt unter den Schwellenpegel verringert wird, der erforderlich ist, damit die katastrophale Beschädigung auftritt. Es ist außerdem bekannt, dass für einen Lichtleitfaserabschnitt mit einem Durchmesser von 20 Mikrometer weniger als 1 % Verlust der optischen Leistung auftritt.
Der Lichtleitfaserabschnitt ist in den optischen Weg zwischen die Systemfasern eingefügt. Der Abschnitt wird durch irgendein herkömmliches Spleißverfahren zwischen die Systemfasern gespleißt. Der Abschnitt ist vorzugsweise außerhalb des Behälters 14 angeordnet, in dem die optische Wegkomponente angeordnet ist. Der Abschnitt kann jedoch innerhalb des Behälters 14 angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Lichtleitfaserabschnitt 23 innerhalb eines Gehäuses 25 angeordnet. Vorzugsweise ist wenigstens ein Abschnitt des Behälters 14 innerhalb des Gehäuses 25 angeordnet. Der Lichtleitfaserabschnitt enthält einen Einschnürungsabschnitt, der einen kleineren Durchmesser als die Systemfaser oder der Faseranschluss besitzt. Er besitzt außerdem eine kleinere Querschnittsfläche als die Enden des Lichtleitfaserabschnitts. Vorzugsweise ist der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Abschnitts an einem Punkt im Einschnürungsabschnitt (oder konisch zulaufenden Abschnitt) längs seiner Längsachse verringert. Es ist bekannt, Einschnürungsab schnitte in einem Lichtleitfaserabschnitt auszubilden. Bekannte Techniken zum Verringern der Querschnittsfläche oder des Durchmessers der Lichtleitfaser sind z. B. das erneute Ziehen der Faser durch das Erwärmen eines Abschnitts und das Ziehen der Faser, um den erwärmten Bereich zu verlängern, was zu einer allmählichen Verringerung des Durchmessers oder der Querschnittsfläche (oder einem konischen Zulaufen) zwischen dem Ende des Lichtleitfaserabschnitts und dem Einschnürungsabschnitt führt. In dem gewährten Patent EP0555847 werden die Abschnitte der gebildeten konisch zulaufenden Faser weiter in Miniaturfaseroptik-Biegungsvorrichtungen gebildet. Derartige Miniaturbiegungen sind in die Komponentenkonstruktion aufgenommen, um die Größe der Komponente und folglich des Behälters, der erforderlich ist, um die Komponente einzukapseln, zu verringern.
2 zeigt eine optische Vorrichtung, die einen optischen Verstärker enthält, gemäß der vorliegenden Erfindung, die einer katastrophalen Beschädigung ausgesetzt ist. Ein Abschnitt der konisch zulaufenden Lichtleitfaser ist zwischen dem Ausgang 17 der Verstärkerkomponente 12 und dem Ausgang 19 der optischen Vorrichtung 10 angeordnet. Ein optisches Signal von etwa 1 Watt oder mehr wird vom Ausgang 17 des enthaltenen Verstärkers 14 in einer Stromabwärtsrichtung über den Abschnitt der konisch zulaufenden Lichtleitfaser zum Ausgang 19 der Vorrichtung 10 ausgegeben. Wie oben erwähnt worden ist, ist eine optische Leistung von dieser Größenordnung ausreichend, um die Ausbreitung irgendeiner selbstangetriebenen selbstfokussierenden Beschädigung anzutreiben, die ausgelöst worden sein kann. Eine derartige Beschädigung breitet sich zur Quelle des Antriebs aus. In der in 1 gezeigten Vorrichtung ist die Quelle des "Antreibens" des optischen Signals der (nicht gezeigte) Sender und der Verstärker 12.
Der Lichtleitfaserabschnitt ist so bemessen, dass, wenn ein optisches Signal durch einen ersten schmaler werdenden Teil des Abschnitts hindurchgeht, der Modenfeldradius des optischen Signals vergrößert wird. Im Ergebnis wird in diesem Abschnitt, wie der Abschnitt schmaler wird, d. h., wie der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Faserabschnitts kleiner werden, der Betrag der optischen Leistung, der durch den wellenleitenden Bereich begrenzt wird, verringert. Der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Einschnürungsabschnitts ist in Bezug auf die Enden des Lichtleitfaserabschnitts oder der Systemfaser oder des Faseranschlusses verringert, so dass an dem Punkt längs des Einschnürungsabschnitts, der den niedrigsten Durchmesser oder die niedrigste Querschnittsfläche besitzt, der Modenfeldradius so verringert ist, dass die Leistungsintensität unter den Schwellenwert fällt, der erforderlich ist, um die Ausbreitung der katastrophalen Beschädigung aufrechtzuerhalten. Wenn das optische Signal durch einen sich verbreiternden Teil des Abschnitts hindurchgeht, wird der Modenfeldradius verringert. Im Ergebnis wird der Betrag der optischen Leistung, der durch den wellenleitenden Bereich begrenzt wird, vergrößert, wobei die optische Dichte zunimmt. Es gibt durch ein optisches Signal, das durch den Lichtleitfaserabschnitt einschließlich des Einschnürungsabschnitts hindurchgeht, keinen signifikanten Leistungsverlust. Die Abmessungen des Einschnürungsabschnitts sind so gewählt, dass die durch den wellenleitenden Bereich begrenzte optische Leistung innerhalb wenigstens eines Teils des Einschnürungsabschnitts unter dem oben erörterten Schwellenwert zum Unterstützen einer selbstangetriebenen selbstfokussierenden Beschädigung liegt. Folglich ist der an die sich ausbreitende Beschädigung gelieferte "Antrieb", der den konisch zulaufenden Abschnitt 23 erreicht, nicht ausreichend, um die weitere Ausbreitung zu unterstützen, wobei die Beschädigung im Einschürungsabschnitt aufgehalten wird. In der in 1 gezeigten Vorrichtung bedeutet dies, dass die Faser, die vom Ausgang 19 bis zum Einschnürungsabschnitt 23 verläuft und einen Teil des Einschnürungsabschnitts 23 enthält, unwiderruflich beschädigt wird, wobei aber die Beschädigung am Einschnürungsabschnitt aufgehalten wird und die Komponenten stromaufseitig des Abschnitts 23 einschließlich der im Behälter 14 angeordneten Komponenten unbeschädigt verbleiben.
Es ist selbstverständlich, dass die optische Sicherung 23 viele Anwendungen besitzt, wobei sie z. B. verwendet werden kann, um irgendwelche optischen Komponenten zu schützen, die einer katastrophalen Beschädigung ausgesetzt sein können, einschließlich z. B. Sendern, Pumplasern, Einzelmodulverstärker, wie z. B. jener, der in 1 gezeigt ist, und Mehrmodulverstärkern. Ebenso wie die Sicherungen der vorliegenden Erfindung auf Faserverstärker anwendbar sind, sind sie auf optische Halbleiterverstärker (SOA) anwendbar. Die wichtigsten Kostenüberlegungen bei der Konstruktion eines SOA betreffen die Einkapselung der Vorrichtung. Die SOAs enthalten einen Halbleiter-Laserchip, der typischerweise auf beiden Seitenflächen mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen ist. Die Kosten der Einkapselung steigen, weil der Chip eine aktive Ausrichtung auf die und ein Laserschweißen des Chips mit den Eingangs- und Ausgangsfasern erfordert. Folglich ist das Schützen des eingekapselten Verstärkers eine Hauptsorge.
Ein Vorteil des Einsetzens von optischen Sicherungen besteht darin, dass teure Komponenten, die z. B. jene, die oben aufgelistet worden sind, bei niedrigen Kosten geschützt werden können.
3 zeigt einen optischen Kommunikationsweg, der optische Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Der in 2 gezeigte optische Kommunikationsweg enthält die Wegkomponenten 32, 12, 34, 42 und 44, die durch die optischen Sicherungen 23 geschützt sind. Insbesondere enthält eine optische Sendervorrichtung 36 einen Sender 32, der in einem Behälter 32 untergebracht ist, und eine optische Sicherung 23. In dem Fall, in dem sich eine katastrophale Beschädigung in das Gehäuse 36 ausbreiten sollte, würde die optische Sicherung so arbeiten, wie oben beschrieben worden ist, um die katastrophale Beschädigung anzuhalten, bevor sie die Senderkomponente 32 erreicht. Der im Behälter 14 untergebrachte optische Verstärker 12 stellt einen Einzelmodulverstärker dar, wobei er durch die optische Sicherung 23 geschützt ist, wie oben in 1 beschrieben worden ist. Ähnlich können Mehrmodulverstärker 40 außerdem durch optische Sicherungen vor einer katastrophalen Beschädigung geschützt werden. Der Mehrmodulverstärker 40 enthält ein erstes Submodul 42 und ein zweites Submodul 44. Jedes Submodul 42 und 44 ist durch optische Sicherungen geschützt, die an Orten stromaufseitig und stromabseitig jedes Submoduls angeordnet sind. In dem Fall, in dem eine katastrophale Beschädigung entweder zwischen den Submodulen oder in dem zweiten Submodul ausgelöst wird und sich zum ersten Submodul 42 ausbreiten sollte, ist eine Sicherung zwischen den Submodulen angeordnet.
Wie oben erörtert worden ist, breitet sich eine ausgelöste Beschädigung in einer Richtung zur Quelle der optischen Leistung aus. In dem in 2 gezeigten Weg ist die Quelle der optischen Leistung die Senderkomponente 32. Folglich breitet sich die Beschädigung im Allgemeinen zum Sender aus. Folglich ist es selbstverständlich, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Beschädigung an einer Empfängerkomponente 34 auftritt. Sollte jedoch die Beschädigung in der Empfängerkomponente ausgelöst werden, kann eine Sicherung vorzugsweise in der Nähe des Eingangs des Empfängers vorgesehen sein, um die Lichtleitfaser zwischen dem Empfänger 38 und der Verstärkerkomponente 12 zu schützen.
Unter Bezugnahme auf 4 ist selbstverständlich, dass weitere Wegkomponenten eines optischen Weges, deren Schutz erforderlich sein kann, die Lichtleitfasern des Weges sind, die optische Signale zwischen den anderen Wegkomponenten, wie z. B. dem Sender 32, den Verstärkern 14, 42, 44 und dem Empfänger 34, transportieren. Wie vorher erwähnt worden ist, kann eine katastrophale Beschädigung, sollte sie in einem optischen Weg auftreten, die Lichtleitfaser auf einer Länge von mehreren Kilometern zerstören. Derartige Unterbrechungen eines optischen Weges sind sowohl teuer zu reparieren und stellen auch verlorene Daten, verlorene Einnahmen und eine vergrößerte Last auf den verbleibenden Wegen eines optischen Netzes dar, während die beschädigte Lichtleitfaser ersetzt wird. Insbesondere können die Kommunikationswege Komponenten enthalten, die zu verschiedenen Netzen gehören. Ein Weg kann im Netz 1 seinen Ursprung haben und im Netz 2 enden. Außerdem können die Netze 1 und 2 von verschiedenen Netzbetreibern betrieben werden. In derartigen Situationen kann der Netzbetreiber, der das Netz 1 betreibt, wünschen, sein Netz vor einer katastrophalen Beschädigung zu schützen, die im Netz 2 ausgelöst werden kann, und sich dennoch zum Netz 1 ausbreiten kann. Ein derartiger Schutz wird gewährt, indem eine optische Sicherung 23 zwischen den Netzen 1 und 2 vorgesehen wird.
Ferner kann es eine Situation geben, in der ein Netz- oder Wegbetreiber wünschen kann, eine Faser zwischen einem Netz 2 und einem Schrank 54 oder außerdem zwischen einem Schrank 54 und den Räumlichkeiten 58 eines Kunden zu leasen. In diesen und anderen ähnlichen Situationen innerhalb von Teilen eines Netzes wird ins Auge gefasst, dass jede eingesetzte Systemfaser mit Modenfeld-Umformern an ihren Enden versehen sein kann. Typischerweise kann in einem städtischen Gebiet die eingesetzte Faser eine beliebige Länge von mehr als etwa 100 Meter besitzen. Wenn sich der Schrank z. B. nur in einer sehr kurzen Entfernung von den Räumlichkeiten eines Kunden befindet, kann die eingesetzte Systemfaser nötigenfalls kürzer als 100 m sein.
Eine weitere Anwendung für die optischen Sicherungen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Netzbetreiber eine Reservefaser (d. h. eine Faser, die gegenwärtig nicht für die Übertragung optischer Signale verwendet wird) an andere lizenzierte Betreiber verleasen können. Die Reservefaser geht, sobald sie verlegst ist, aus der direkten Steuerung des Leasinggebers. Eine derartige Reservefaser kann jedoch an Orten innerhalb eines Netzes mit einer Faser verbunden sein, die durch den Leasinggeber oder andere dritte Parteien verwendet wird. Unter derartigen Umständen, unter denen die Nutzung einer Lichtleitfaser nicht unter die direkte Steuerung des Leasinggebers fallen kann, ist es wichtig, dass eine Beschädigung, die in der verleasten Faser auftreten kann, sich nicht in Teile des Netzes ausbreitet, das durch den Leasinggeber oder andere dritte Parteien betrieben wird. Um die Netzfaser zu schützen, sieht die vorliegende Erfindung vor, dass Modenfeld-Umformer an Punkten innerhalb des Netzes eingesetzt werden, an denen ein Betreiber vor der Aktivität zu schützen ist, die in anderen Teilen des Netzes ausgeführt wird, die sich nicht unter seiner Steuerung befinden.
Der Fachmann wird erkennen, dass es verschiedene andere Orte gibt, wo es erwünscht sein kann, optische Sicherungen anzuordnen, um Lichtleitfasern des Weges zu schützen, z. B. an Orten, wo Daten von einem privaten Netz zu einem öffentlichen Netz übertragen werden oder wo Daten zwischen einem Netz, das ein Netzbetreiber besitzt, und einem zweiten Netzbetreiber übertragen werden.
Unter Bezugnahme auf 5 ist eine Verbindungsanordnung 80 gezeigt, die zwischen zwei optischen Kabeln 60, 70 angeschlossen sein kann, wobei jedes optische Kabel mehrere Lichtleitfasern 62, 72 aufweist. Die Anordnung enthält mehrere Modenfeldradius-Umformer 230, wie sie vorher beschrieben worden sind. Die Anordnung ermöglicht, dass jede Lichtleitfaser 62, 72 der Kabel 60, 70 vor einer katastrophalen Beschädigung geschützt wird, die sich in irgendeiner der Lichtleitfasern 62, 72 ausbreiten kann. Die Anordnung ist so konfiguriert, dass jeder Modenfeldradius-Umformer 230 mit einer entsprechenden Lichtleitfaser verbindbar ist, um folglich jede entsprechende Lichtleitfaser zu schützen.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Pumplaser 70 gezeigt. Der Pumplaser enthält einen Pumplaserchip 72, eine Faser 74 mit Linse, die beide in einen dichten Behälter 70 eingeschlossen sind, wobei der Ausgang des Pumplasers mit einer Laseranschlussfaser 78 verbunden ist. Ein Modenfeld-Umformer ist außerhalb des dichten Behälters 70 längs der Laseranschlussfaser angeordnet. Diese Anordnung be sitzt für entfernte Pumplaser, insbesondere für optische Unterwasserkabel, besondere Anwendung, wo sich der Pumplaser an Land befindet und die Laseranschlussfaser viele Kilometer lang sein kann. Um die relativ unzugängliche Laseranschlussfaser und den zugänglicheren, jedoch teuren Pumplaser vor einer katastrophalen Beschädigung zu schützen, können Modenfeld-Umformer an einem Ort oder an Orten längs der Laseranschlussfaser angeordnet sein. Die Modenfeld-Umformer sind jedoch nicht nur auf die Verwendung in entfernten Pumplasern eingeschränkt, sondern sie können außerdem in Pumplaser für die Verwendung in eingekapselten Verstärkern und optischen Quellen aufgenommen sein.
Es ist selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung in allen Bereichen der Lichtleitfasertechnologie Anwendung besitzt, wo eine Lichtleitfaser einer hohen optischen Leistung ausgesetzt ist. Diese Anwendungen können von der Laserchirurgie zum industriellen Schneiden und Schweißen unter Verwendung eines Lasers reichen. Ein besonderes Beispiel würde z. B. die Laseraugenchirurgie sein, um die Kurzsichtigkeit zu korrigieren, wo eine Lichtleitfaser verwendet wird, um ein optisches Strahlenbündel mit hoher Leistung zur Hornhaut zu liefern.

Claims

Optisches Kommunikationssystem (10), das einen optischen Kommunikationsweg enthält, der eine Systemfaser oder eine Laseranschlussfaser, die bei einer Betriebswellenlänge des Systems einen gegebenen Modenfeldradius besitzt und mit einem Modenfeld-Umformer (23) verbunden ist, und eine optische Wegkomponente (12) umfasst, wobei die optische Wegkomponente einen Teil des optischen Kommunikationswegs bildet und mit der Systemfaser oder mit der Laseranschlussfaser funktional verbunden ist und in einen dichten Behälter (14) der optischen Wegkomponente (12), der an einem optischen Ausgang vorgesehen ist, eingeschlossen ist, wobei der Ausgang der optischen Wegkomponente durch den Modenfeld-Umformer (23) und dann längs der Systemfaser oder der Laseranschlussfaser verläuft, wobei der Modenfeld-Umformer (23) einen Lichtleitfaserabschnitt aufweist, der an einem Ort stromabseitig von dem Behälter angeordnet ist und dazu dient, den Modenfeldradius bei der Wellenlänge lokal zu erhöhen, wobei dem optischen Kommunikationssystem ein Schwellenwert der optischen Leistungsdichte in der Systemfaser oder in der Laseranschlussfaser zugeordnet ist, oberhalb dessen sich eine durch Lichtleistung induzierte Beschädigung in der Systemfaser oder in der Laseranschlussfaser ausbreiten kann, wobei der Modenfeld-Umformer (23) so beschaffen ist, dass die Lichtleistungsdichte in dem Modenfeld-Umformer (23) dann, wenn die Lichtleistungsdichte in der Systemfaser oder in der Laseranschlussfaser über dem Schwellenpegel liegt, unter den Schwellenpegel reduziert wird, so dass in dem Fall, in dem die durch Lichtleistung induzierte Beschädigung in der Systemfaser oder in der Laseranschlussfaser stromabseitig von dem Moden-Umformer auftritt, die durch die Lichtleistung induzierte Beschädigung an einer Ausbreitung in die optische Wegkomponente gehindert wird.
System nach Anspruch 1, bei dem der Modenfeld-Umformer (23) und die Systemfaser oder die Laseranschlussfaser aus Glas hergestellt sind.
System nach Anspruch 1, bei dem der Lichtleitfaserabschnitt, der in dem Modenfeld-Umformer (23) enthalten ist, einen Einschnürungsabschnitt aufweist, wobei der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Einschnürungsabschnitts kleiner als der Durchmesser bzw. die Querschnittsfläche der Systemfaser oder der Anschlussfaser ist.
System nach Anspruch 3, bei dem der Einschnürungsabschnitt symmetrisch um die Langsachse des in dem Modenfeld-Umformer (23) enthaltenen Lichtleitfaserabschnitts angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Teil des Behälters (14) und der Modenfeld-Umformer (23) in einem Gehäuse angeordnet sind.
System nach Anspruch 5, bei dem der Modenfeld-Umformer (23) in dem Gehäuse zugänglich ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die optische Wegkomponente einen optischen Sender oder einen opti schen Empfänger oder einen Faserverstärker oder einen Halbleiterverstärker oder ein regelmäßig angeordnetes Wellenleitergitter oder einen ebenen Siliciumoxid-Wellenleiter enthält.
Verfahren zum Schützen eines optischen Kommunikationswegs, der ein optisches Signal transportiert, vor der Ausbreitung einer durch optische Leistung induzierten Beschädigung längs des Wegs, wobei der Weg eine optische Vorrichtung (12) mit einer Wegkomponente zum Ausführen einer Funktion in dem optischen Weg enthält, wobei die Wegkomponente in einem Behälter (14) untergebracht ist, wobei das Verfahren den folgenden Schritt enthält: Vorsehen eines Modenfeld-Umformers (23) an einem Ort in dem optischen Kommunikationsweg außerhalb des einen Lichtleitfaserabschnitt enthaltenden Behälters, wobei der Lichtleitfaserabschnitt so bemessen ist, dass er die Lichtleistungsdichte in dem Lichtleitfaserabschnitt auf einen Pegel unterhalb desjenigen Pegels senkt, bei dem die durch Lichtleistung induzierte Beschädigung, die sich auf dem Weg ausbreitet, direkt stromabseitig von dem Ort an diesem Ort angehalten wird, bevor sie den Behälter erreicht.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Lichtleitfaserabschnitt einen Einschnürungsabschnitt besitzt.