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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft thermisch abstimmbare Fasereinrichtungen
und insbesondere in mikrokapillaren Heizvorrichtungen angeordnete thermisch
abstimmbare Fasereinrichtungen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Optische
Fasern enthalten innerhalb ihrer Strukturen eine Vielzahl von Einrichtungen,
die für den
ordnungsgemäßen Betrieb
von die Fasern verwendenden Systemen höchst wichtig sind. Zu solchen
Einrichtungen, die dafür
ausgelegt sind, eintretendes Licht zu verarbeiten, zählen optische
Gitter und Längen
spezialisierter Fasern wie etwa eine dispersionskompensierende Faser
und eine seltenerddotierte verstärkende
Faser. Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, ausgewählte Charakteristiken
der Fasereinrichtungen abzustimmen. Das Abstimmen durch die Anwendung
von Wärme
ist besonders zweckmäßig, insbesondere
für Fasergittereinrichtungen.
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Faseroptische
Gitter sind wichtige Elemente zum selektiven Steuern von spezifischen
Wellenlängen
des Lichts innerhalb optischer Systeme. Ein optisches Gitter umfaßt in der
Regel einen Körper
aus Material und mehrere im wesentlichen gleichmäßig beabstandete optische Gitterelemente
wie etwa Indexstörungen,
Schlitze oder Nuten. Zu solchen Gittern zählen Bragg-Gitter und langperiodische
Gitter. Diese Gitter dynamisch modifizieren zu können, wäre höchst nützlich.
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Ein
typisches Bragg-Gitter umfaßt
eine Länge
eines optischen Wellenleiters, wie etwa einer optischen Faser, die
mehrere Störungen
im Brechungsindex enthält.
Diese Störungen
reflektieren Licht der Wellenlänge λ gleich dem
Doppelten des Abstandes Δ selektiv zwischen
aufeinanderfolgenden Störungen mal
dem effektiven Brechungsindex, d.h. λ = 2neffΔ, wobei λ die Wellenlänge im Vakuum
und neff der effektive Brechungsindex der
sich ausbreitenden Mode ist. Die anderen Wellenlängen passieren im wesentlichen
ungehindert. Bragg-Gitter haben in einer Vielzahl von Anwendungen
Verwendung gefunden, einschließlich
Filtern, Hinzufügen
und Herausnehmen von Signalkanälen,
Stabilisierung von Halbleiterlasern, Reflexion von Faserverstärkerpumpenergie und
Kompensation für
Wellenleiterdispersion.
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Ein
langperiodisches Gitter koppelt optische Leistung zwischen zwei
sich gleich ausbreitenden Modi mit sehr schwachen Rückreflexionen.
Es umfaßt
in der Regel eine Länge
eines optischen Wellenleiters, in dem die Brechungsindexstörungen mit
einer periodischen Entfernung Δ' beabstandet sind,
die im Vergleich zur Wellenlänge λ des übertragenen Lichts
groß ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bragg-Gittern
verwenden langperiodische Gitter einen periodischen Abstand Δ', der in der Regel
mindestens 10mal größer ist
als die übertragene
Wellenlänge,
d.h. Δ' ≥ 10 λ. Δ' liegt in der Regel im Bereich 15–1500 Mikrometer,
und die Breite einer Störung liegt
im Bereich 1/5 Δ' bis 4/5 Δ'. Bei einigen Anwendungen,
wie etwa gechirpten Gittern, kann der Abstand Δ' entlang der Länge des Gitters variieren.
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Langperiodische
Gitter eignen sich insbesondere bei optischen Kommunikationssystemen zum
Ausgleichen des Verstärkergewinns
bei verschiedenen Wellenlängen.
Siehe beispielsweise das am 4. Juli 1995 an A. M. Vengsarkar erteilte
US-Patent Nr. 5,430,817.
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Viele
mögliche
Anwendungen erfordern optische Gitter mit Charakteristiken, die
sich abstimmen lassen. Abstimmbare Bragg-Gitter können die
dynamische Steuerung dessen gestatten, welche Wellenlänge durch
das Gitter hindurchgeht und welche reflektiert oder abgelenkt wird.
Ein abstimmbares gechirptes Bragg-Gitter kann eine dynamische Dispersionskompensation
gestatten. Ein abstimmbares langperiodisches Gitter kann außerdem eine
dynamische Gewinnkompensation bereitstellen.
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Thermisch
abstimmbare Gittereinrichtungen steuern die Charakteristiken der
Gitter durch das Anwenden von Wärme,
um den Brechungsindex und somit die optische Weglänge zwischen
aufeinanderfolgenden Störungen
zu ändern.
Eine zu Tage tretende Klasse von abstimmbaren Fasereinrichtungen verwendet
herkömmliche,
innerhalb des Kerns liegende Fasergitter und Dünnfilmwiderstandsheizvorrichtungen
mit gleichförmigen,
verjüngten
oder periodisch variierenden Dicken, die in einschichtigen oder mehrschichtigen
Geometrien auf der Faseroberfläche
ausgebildet sind. Durch diese Filme fließender Strom bewirkt eine verteilte
Joulesche Erwärmung mit
Geschwindigkeiten, die von dem elektrischen Strom und dem örtlichen
Widerstand der Beschichtung abhängen.
Die durch diese Erwärmung
induzierten Temperaturänderungen ändern die
Eigenschaften der Gitter im Kern der Faser. Eine gleichförmige Erwärmung eines
Bragg-Fasergitters beispielsweise verursacht eine Verschiebung der
Resonanzwellenlänge
proportional zu der Temperaturänderung.
Die Verschiebung ist in erster Linie auf die intrinsische Abhängigkeit
des Brechungsindexes von Glas von der Temperatur abhängig. Durch
Wärmeausdehnung
verursachte Verlängerung
der Faser induziert ebenfalls kleinere Verschiebungen.
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Indem
durch Mikrofertigung hergestellte verteilte Heizvorrichtungen mit
Widerständen
verwendet werden, die entlang der Länge des Fasergitters variieren
(in der Regel 2–10
cm lang), ist es möglich,
einfache und komplexe räumliche
Schwankungen in der Periodizität
des Gitters (d.h. Chirps) zu induzieren und dynamisch zu justieren.
Integrierte Heizvorrichtungen mit Dicken, die umgekehrt von der
Position entlang der Faser abhängen,
weisen linear mit der Position variierende Widerstände auf.
Die durch diese Filme erzeugte Erwärmung liefert in einer guten Annäherung ein
abstimmbares lineares Chirpen. Im Reflexionsmodus können Bragg-Gitter
mit diesem Design zur dynamischen kanalspezifischen Dispersionskompensation
in Lichtwellenkommunikationssystemen mit hoher Bitrate verwendet
werden. Diese Einrichtungen sind kompakt, leistungseffizient, kosteneffektiv
und einfach zu bauen.
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In
vielen existierenden und zukünftigen
Anwendungen wird es erforderlich sein, lineare Chirps und Chirps
höherer
Ordnung unabhängig
zu produzieren und zu steuern und die Mittenposition des Reflexionsbands
zu justieren. Diese Funktionalität
kann mit mehreren unabhängigen
Heizvorrichtungen realisiert werden, die Temperaturgradienten mit
verschiedenen Funktionsformen produzieren. Diese Heizvorrichtungen
sind mit Geometrien ausgelegt, die einen „Basissatz" zum Definieren und Abstimmen des gewünschten
Bereichs von Temperaturprofilen bereitstellen. Dieser Ansatz wurde
von uns zuvor in einem einfachen System demonstriert, bei dem in
einer mehrschichtigen Geometrie auf der Faseroberfläche eine
gleichförmige
und eine verjüngte
Heizvorrichtung abgeschieden waren. Die Metallheizvorrichtungen
waren in diesem Fall durch einen Dünnfilm aus SiO2 elektrisch
voneinander isoliert, der durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung
abgeschieden worden war. Die koordinierte Steuerung der Heizvorrichtungen
gestattete beispielsweise das Justieren der Chirpgeschwindigkeit
ohne Verschiebung der Mittenposition.
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Wenngleich
man mit dieser mehrschichtigen Geometrie die erforderliche Funktionalität erreicht, erfordert
sie das Abscheiden von mehreren robusten dünnen Schichten auf einem stark
gekrümmten
Objekt. Es kann eine Herausforderung darstellen, diese Beschichtungen
ohne teure Abscheidungswerkzeuge zuverlässig aus Materialien herzustellen,
die mit den relativ hohen Arbeitstemperaturen (z.B. 300°C bei diesen
Einrichtungen) kompatibel sind. Diese Designs erfordern außerdem mehrere
Bearbeitungsschritte.
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Es
besteht also ein Bedarf an alternativen Heizvorrichtungsdesigns,
die mehrere Abscheidungen auf stark gekrümmten Fasern vermeiden und gleichzeitig
alle Vorteile von mehrschichtigen Dünnfilmvorrichtungen beibehalten.
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WO-A-01
53 880 betrifft eine abstimmbare optische Einrichtung und eine geschlitzte
Heizvorrichtung, die eine faseroptische Einrichtung mit mit der
Temperatur variierenden optischen Eigenschaften enthält.
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Aus
EP-A-0 977 764 ist ein Wellenleitergitter bekannt, das mit einem
elektrisch steuerbaren wärmeumformenden
Körper
in Wärmekontakt
steht. Der wärmeumformende
Körper
kann an der Faser Wärme
erzeugen, um entlang des Gitters einen Temperaturgradienten herzustellen.
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Rogers
et al., Applied Optics, Band 39, 2000, S. 5109, beschreibt eine
Analyse des Wärmeflusses in
einer Art von abstimmbarem faseroptischem Gitter, das durch Mikrofertigung
auf der Oberfläche
der Faser hergestellte Dünnfilmwiderstandsheizvorrichtungen
verwendet.
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Aus
EP-A-1 139 149 ist ein Wellenleitergitter bekannt, das mit einer
oder mehreren Widerstandsfilmbeschichtungen in Wärmekontakt steht. Eine Beschichtung
erstreckt sich entlang der Länge
des Gitters und ihr lokaler Widerstand variiert entlang der Länge des
Gitters.
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Aus
GB-A-2 184 859 ist ein thermisch abstimmbares faseroptisches Dämpfungsglied
bekannt, das eine Länge einer
optischen Faser mit einer bikonischen Verjüngung umfaßt, die umfangsmäßig von
einem ungeschlitzten Mikrokapillarröhrchen mit einem elektrischen
Widerstandsheizelement umgeben ist, das als ein Dünnfilm auf
dem Mikrokapillarröhrchen
ausgebildet ist. Die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 sind
in Kombination aus diesem Dokument bekannt.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Eine
thermisch abstimmbare faseroptische Einrichtung gemäß der Erfindung
ist wie in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Beschaffenheit, Vorteile und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung
ergeben sich ausführlicher
bei Betrachtung der veranschaulichenden Ausführungsformen, die nun in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden sollen. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch eine abstimmbare Fasereinrichtung
mit einer mikrokapillaren Heizvorrichtung;
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2 eine
abstimmbare Fasereinrichtung, die eine mikrokapillare Heizvorrichtung
verwendet und eine Dünnfilmheizvorrichtung
auf dem Gitter enthält;
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3 einen
schematischen Querschnitt durch eine abstimmbare Fasereinrichtung,
die eine mikrokapillare Heizvorrichtung verwendet und mehrere verschachtelte
Dünnfilmheizvorrichtungen
enthält;
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4 eine
Ausführungsform
einer abstimmbaren Fasereinrichtung, die eine mikrokapillare Heizvorrichtung mit
mehreren winkelförmig
beabstandeten Dünnfilmheizvorrichtungen
verwendet.
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5A veranschaulicht
schematisch einen Glastrichter, der sich zum Einfädeln von
Fasereinrichtungen in Mikrokapillarröhrchen eignet;
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5B veranschaulicht
schematisch ein trennbares Mikrokapillarröhrchen, um das Plazieren von
Fasereinrichtungen zu erleichtern;
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6A und 6B stellen
graphisch die Dispersion von experimentellen einzelnen Heizeinrichtungen
des in 1 gezeigten Typs dar;
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7 veranschaulicht
graphisch die Wellenlängenverschiebung
als Funktion der Heizleistung für eine
experimentelle einzelne Heizeinrichtung;
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8 veranschaulicht
graphisch Reflexionsgradspektren von experimentellen doppelten Heizeinrichtungen
des in 2 gezeigten Typs; und
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9 zeigt
typische Gruppenverzögerungen von
einer doppelten Heizeinrichtung.
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Es
versteht sich, daß diese
Zeichnungen dazu gedacht sind, die Konzepte der Erfindung zu veranschaulichen
und mit Ausnahme der graphischen Darstellungen nicht maßstabsgetreu
sind.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eine
thermisch abstimmbare Fasereinrichtung 9, die eine Länge einer
optischen Faser 10 mit einer Fasereinrichtung 11 (hier
ein optisches Gitter, das aus einer Sequenz von Indexstörungen 12 besteht)
umfaßt.
Die Einrichtung 11 ist innerhalb einer elektrisch steuerbaren
mikrokapillaren Heizvorrichtung 23 angeordnet, die in der
Regel ein Mikrokapillarröhrchen 23A und
eine Widerstandsfilmheizvorrichtung 23B auf der Außenfläche des
Röhrchens über der
Einrichtung umfaßt.
Unter Mikrokapillarröhrchen
wird ein Röhrchen
mit einem größten effektiven
Außendurchmesser
von unter etwa 2 mm verstanden. (Der effektive Durchmesser von nicht kreisförmigen Mikrokapillarröhrchen ist
der Durchmesser eines Kreises mit einem vergleichbaren Flächeninhalt.)
Ein derartiges Röhrchen
ist deshalb vorteilhaft, weil seine kleine Oberfläche einen
geringen Wärmeverlust
für effiziente
Erwärmung
darstellt und seine kleine thermische Masse eine schnelle Reaktion
gestattet. Die Filmheizvorrichtung 23B kann entlang der
Länge des
Gitters einen gleichförmigen
Widerstand oder alternativ einen lokalen Widerstand, der entlang
der Länge
des Gitters variiert, aufweisen. Der lokale Widerstand kann durch
Variieren seiner Dicke oder Zusammensetzung abgeändert werden. Zuleitungen 24 und 25 können für einen
elektrischen Kontakt mit einer Stromquelle 26 sorgen, damit Strom
durch die Filmheizvorrichtung 23B entlang der Länge der
Gitters geschickt wird.
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Das
Mikrokapillarröhrchen
ist in der Regel ein elektrisch nicht leitendes Material wie etwa
Glas oder ein temperaturbeständiges
Polymer wie etwa Polymid. Es kann jedoch aus einem Widerstandsmaterial
sein, und ein Mikrokapillarröhrchen
mit einem Widerstand kann an eine Stromquelle angeschlossen werden,
damit das Widerstandsmaterial des Mikrokapillarröhrchens als eine Heizvorrichtung
verwendet wird. Das Mikrokapillarröhrchen weist in der Regel einen
kreisförmigen
Querschnitt auf, aber nicht kreisförmige Querschnitte wie etwa
quadratische oder rechteckige Röhrchen
können
ebenfalls verwendet werden. Typische Mikrokapillarröhrchen sind starr.
Flexible Polymermikrokapillarröhrchen
können aber
verwendet werden und sind beständiger
gegenüber
Bruch.
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Die
faseroptische Einrichtung 11 ist hier als ein optisches
Gitter dargestellt. Es kann sich bei ihr jedoch um jede faseroptische
Einrichtung handeln, deren relevante Charakterstiken als Funktion
der Temperatur variieren. Sie kann beispielsweise eine Länge einer
Spezialfaser wie etwa einer dispersionskompensierenden Faser oder
einer seltenerddotierten Faser sein.
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2 zeigt
eine abstimmbare Fasereinrichtung ähnlich der von 1,
außer
daß die
Faser 10 auf der Außenfläche auch
eine Widerstandsfilmheizvorrichtung 13 enthält. Der
Film 13 kann entlang der Länge des Gitters einen gleichförmigen Widerstand oder
einen entlang des Gitters variierenden Widerstand aufweisen. Die
Zuleitungen 14 und 15 sorgen für elektrischen Kontakt mit
einer (nicht gezeigten) Stromquelle, um Strom durch den Film 13 zu
schicken.
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3 veranschaulicht
eine abstimmbare Fasereinrichtung ähnlich der von 1,
außer
daß mehrere
(hier drei) verschachtelte mikrokapillare Heizvorrichtungen 23B, 33B und 43B vorhanden sind.
Jede der Heizvorrichtungen kann entlang der Gitterlänge die
gleichen oder verschiedene Widerstandsprofile aufweisen. Vorteilhafterweise
sind die Widerstandsprofile so gewählt, daß sie einen Satz bilden, der
gewünschte
Temperaturprofile entlang der Einrichtung 11 produzieren
kann. Beispielsweise kann die Heizvorrichtung 23B entlang
ihrer Länge
einen gleichförmigen
Widerstand aufweisen, Heizvorrichtung 33B kann einen monoton-steigenden
Widerstand aufweisen und Heizvorrichtung 43B kann ein periodisches
oder abnehmendes Widerstandsprofil aufweisen. Die Steuerung jeweiliger
Stromquellen für jede
Heizvorrichtung (nicht gezeigt) gestattet die Erzeugung einer großen Vielfalt
von Temperaturprofilen entlang des Gitters 11.
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4 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel ähnlich 1,
außer
daß mehrere
(hier zwei) mikrokapillare Filmheizvorrichtungen 53B und 63B winkelmäßig voneinander
beabstandet sind. Jede der Heizvorrichtungen 53B, 63B kann
sich entlang der Länge
des Gitters erstrecken, wenngleich eine oder mehrere sich nicht
gleich mit der Einrichtung 11 erstrecken müssen. Die
Heizvorrichtungen können eine
gleichförmige
Dicke aufweisen oder von der Dicke her entlang der Länge variieren.
Sie können über die
Entfernung hinweg das gleiche Dickeprofil oder verschiedene Dickeprofile
aufweisen. Zuleitungen 124, 125 und 224, 225 sorgen
für elektrischen
Kontakt zu diskreten Stromquellen.
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Bei
Betrachtung der folgenden Aspekte kann die Erfindung nun klarer
verstanden werden:
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A. Allgemeines Design,
Mikrokapillarröhrchen
und Werkzeuge zum Einfädeln
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Es
wurden Einrichtungen konstruiert, wobei herkömmliche in der Faser befindliche
Gitter, Dünnmetallfilme
und Mikrokapillarglasröhrchen
verwendet wurden. In allen Fällen
wiesen die Gitter ein intrinsisches lineares Chirpen auf und wurden
unter Verwendung von holographisch erzeugten Phasenmasken und herkömmlichen
Vorgehensweisen in eine Standardtelekommunikationsfaser (Lucent
5D-Faser) geschrieben. Um einen stabilen Betrieb dieser Gitter bei
Temperaturen bis zu 150°C
sicherzustellen, wurden die Gitter 20 s lang bei 400°C geglüht. Eine Einrichtung
war eine Mikrokapillareinrichtung ähnlich der in 2 dargestellten.
In diesem Fall wurden auf der Faser und der Außenfläche des Kapillarröhrchens
Metallfilmheizvorrichtungen ausgebildet. Die Charakteristiken der
Filme sind unten beschrieben. Mikrokapillarröhrchen mit Innendurchmessern
(ID) von 140 μm
wurden gewählt,
da sie eine gute Passung mit einer standardmäßigen mantellosen Einmoden-5D-Optikfaser
(125 μm
Durchmesser) lieferten. Mikrokapillarröhrchen mit ID von 280 μm wurden
aufgrund ihrer guten Passung mit mit Mantel versehenen Fasern ebenfalls
verwendet.
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Die
Mikrokapillarröhrchen
weisen bei Bezug vom Hersteller auf ihren Außenflächen dünne Polyimidbeschichtungen
(10–20 μm dick) auf.
Zu Beginn wurden diese Beschichtungen mit einer Butanflamme abgebrannt.
Die ausgezogenen Kapillarröhrchen wurden
mit Methanol gespült
und zu ~15 cm lange Stücke
gespalten. Unten beschriebene Vorgehensweisen wurden dann verwendet,
um die dünnen
Metallfilmheizvorrichtungen auszubilden. Eine optische Faser (mit
oder ohne Polymermantel) wurden mit einem in 5A gezeigten
einfachen Glastrichter in die metallbeschichteten Kapillarröhrchen eingefädelt. Dieser
Trichter 50 ist ein zylindrisches Glasstück mit einem
zentralen axialen Luftloch 52, dessen Durchmesser ständig und
symmetrisch von einem relativ großen Wert (~2 mm) an den Enden
zu einem relativ kleinen Wert (~0,2 mm) in der Mitte variiert. Der schmalste
Teil der hier verwendeten Trichter wies Durchmesser auf, die nur
geringfügig
größer waren als
die Durchmesser einer optischen Faser mit oder ohne Mantel. Zum
Einfädeln
einer Faser 10 in ein Mikrokapillarröhrchen 23A werden
die Faser und das Kapillarröhrchen
in entgegengesetzte Enden des Trichters eingeführt. Das Mikrokapillarröhrchen erreicht
einen Haltepunkt an der Stelle, wo sein Außendurchmesser (AD) gleich
dem lokalen Innendurchmesser des Trichters ist. Die Faser 10,
die von der entgegengesetzten Seite in den Trichter 50 eintritt, wird
von dem Trichter auf natürliche
Weise auf die Mitte der Bohrung des Kapillarröhrchens ausgerichtet. Wenn
die Faser durch den Trichter geschoben wird, wird sie deshalb schnell
und leicht in das Mikrokapillarröhrchen
eingefädelt.
Diese Vorgehensweise erfordert keine Mikroskope oder Präzisionsausrichtungsstadien.
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5B veranschaulicht
einen alternativen Ansatz, um das Einführen der Faser in ein trennbares Mikrokapillarröhrchen zu
erleichtern. Hier ist das Mikrokapillarröhrchen axial in zwei Teile 55, 56 aufgeteilt.
Die beiden Teile werden dann um die Länge der Faser 10 herum
einschließlich
der zu erwärmenden Einrichtung
miteinander verklebt. Nach dem Kleben werden die Erwärmungsbeschichtungen
auf das geklebte Mikrokapillarröhrchen
aufgetragen.
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Bei
all den hier beschriebenen Einrichtungen weist das Gebiet der Faser,
das das Gitter enthält, keinen
Polymermantel auf. Der Mantel wurde vor dem Schreiben der Gitter
abgelöst
und die bloße
Faser wurde nicht wieder beschichtet. Bei den Mikrokapillarröhrchen mit
einem Innendurchmesser von 140 μm
wurde auch der Polymermantel entlang der halben Länge der
Faser bis zum Gitter abgelöst,
so daß sie
in das Kapillarröhrchen
eingefädelt
werden konnte. Wir verwendeten auch die Mikrokapillarröhrchen mit
einem Innendurchmesser von 280 μm,
die den Vorteil hatten, daß bei
ihnen der Mantel nicht entfernt werden mußte. In beiden Fällen wurde
die radiale Position der Faser in dem Kapillarröhrchen nicht direkt gesteuert.
Die Fasern berührten
die Innenwände
der Kapillarröhrchen
an verschiedenen Stellen, die durch die Art und Weise bestimmt waren,
wie die Faser nach den Einfädelvorgängen zufällig zur
Ruhe kam, und durch die unten beschriebenen Verpackungsschritte.
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B. Metallbeschichtungen
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Dünne Metallbeschichtungen
wurden durch Elektronenstrahlverdampfung mit Basisdrücken von ~1 × 10–6 Torr
auf die Mikrokapillarröhrchen
und die Fasern aufgetragen. Die Beschichtungen bestanden in der
Regel aus 10 nm Ti (Abscheidungsrate ~0,1 nm/s; Adhäsionsbeschleuniger)
und zwischen 200 und 2000 nm Au (Abscheidungsrate ~0,3–0,6 nm/s.) Die
Dicke gradienten für
die verjüngten
Beschichtungen wurden mit einer sich bewegenden Lochmaske erzeugt,
die an eine computergesteuerte Drehbühne gekoppelt war. In den meisten
Fällen
wurden die Metallbeschichtungen nur auf einer Seite der Mikrokapillarröhrchen aufgetragen.
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Bei
anderen wurden zum Beschichten von beiden Seiten zwei Beschichtungsläufe verwendet. Die
Beschichtungen wurden durch eine Schlitzmaske vorgenommen, die geringfügig schmaler
ist als das Mikrokapillarröhrchen
und auf es ausgerichtet ist. Das Mikrokapillarröhrchen wurde zwischen den beiden
Abscheidungen um 180° gedreht,
und nach der Abscheidung berührten
sich die Filme nicht und waren elektrisch isoliert. Die optischen
Fasern waren nur auf einer Seite beschichtet.
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C. Verpackung und elektrische
Anschlüsse
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Jedes
Mikrokapillarröhrchen
wurde mit einem Quarzröhrchen
mit einem Innendurchmesser von ~5 mm angebracht. Es sorgte für eine gewisse Wärmeisolierung
der Fasern von ihren Umgebungen; es sorgt auch für mechanischen Halt und Schutz.
Die Fasern und die Mikrokapillarröhrchen wurden entweder mit
Silberfarbe, Silberepoxidharz oder Indiumlot mit zwei Paaren von
goldbeschichteten Messinghülsen
an den Enden dieser Röhrchen
verbunden. Die optische Faser verbindet sich mit den Hülsen an
den Enden der Verpackung. Das innere Paar von Hülsen ist mit den Mikrokapillarröhrchen verbunden.
Drähte wurden
an den beiden Sätzen
von Hülsen
angebracht, um den Anschluß an
Stromversorgungen zu erleichtern.
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D. Optisches und elektrisches
Testen
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Die
Einrichtungen wurden mit Strom von Gleichstromversorgungen angetrieben.
In der Regel wurden die angelegten Spannungen und die Ströme gemessen,
um die Eingangsleistung zu bestimmen. Die Reflexionsgrad spektren
wurden mit einem JDS Swept Wavelength System gemessen. Die Gruppenverzögerungscharakteristiken
wurden mit einem HP Chromatic Dispersion Tester bei hoher Auflösung mit einer
Modulationsfrequenz von 20 GHz ausgewertet.
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E. Ergebnisse
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6A stellt
typische Dispersionsdaten von einer einzelnen Heizeinrichtung dar,
die eine verjüngte
Metallfilmheizvorrichtung auf der Faser selbst verwendet (nur auf
einer Seite abgeschieden). 6B zeigt ähnliche
Daten von einer Einrichtung, die eine bloße Faser verwendet, die in
ein Mikrokapillarröhrchen
eingefädelt
ist (Innendurchmesser 280 μm,
Außendurchmesser
375 μm),
das eine Metalldünnfilmheizvorrichtung
trägt (nur
auf einer Seite aufgebracht). Die Geometrien der Metallbeschichtungen waren
in beiden Fällen
die gleichen: 0,2 bis 2,0 μm Schwankung
bei der Dicke auf eine Weise, die umgekehrt von der Position entlang
der ~10 cm Länge
des Gitters abhängt.
Die Gruppenverzögerungscharakteristiken
(Linearität,
Gruppenverzögerungswelligkeiten
usw.) dieser beiden Einrichtungen sind innerhalb experimenteller
Ungenauigkeiten die gleichen. Die optischen Charakteristiken der
Mikrokapillarröhrcheneinrichtung
sind so gut wie jene der zuvor demonstrierten Faserdispersionskompensatoren.
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Um
die relativen Leistungseffizienzen zu untersuchen, wurden Einrichtungen
mit gleichförmigen Beschichtungen
verglichen. Die optischen Eigenschaften waren so, wie dies erwartet
wurde: Verschiebung ohne Verzerrungen weder in den Reflexionsspektren
noch bei den Gruppenverzögerungscharakteristiken. 7 zeigt
typische Wellenlängenverschiebungen
als Funktion der eingegebenen Heizleistung für Einrichtungen, die Mikrokapillarröhrchen mit
Innendurchmessern von 140 und 280 μm bzw. Außendurchmessern von 360 μm und 357 μm und gleichförmige Beschichtungen
auf beiden Seiten der Kapillarröhrcehn
verwenden. Wir beobachteten, daß (i)
diese beiden Einrichtungen die gleichen Leistungseffizienzen aufwiesen
und (ii) die Wirkungsgrade dieser Einrichtungen (~0,00145 nm/mW)
nur geringfügig
schlechter sind als Nicht-Kapillarröhrcheneinrichtungen, die Beschichtungen
direkt auf der Faser verwenden (~0,0018 nm/MW). Aus der Analyse geht
hervor, daß die
fast identischen Außendurchmesser
dieser beiden Einrichtungen ihre ähnlichen Leistungseffizienzen
zum größten Teil
erklären.
Es überrascht,
daß diese
Wirkungsgrade mit den Einrichtungen, die nur auf einer Faser basieren,
vergleichbar sind, und zwar insbesondere deshalb, weil (i) das Hinzufügen der
Kapillarröhrchen
die thermische Masse erheblich erhöht und (ii) die Wärmekopplung
zwischen der Heizvorrichtung und der Faser aufgrund des Vorliegens
eines kleinen Luftspalts zwischen den Kapillarröhrchen und den Fasern weniger als
ideal ist.
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2. Doppelte
Heizeinrichtungen
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8 zeigt
die Reflexionsgradspektren einer typischen doppelten Heizeinrichtung
auf der Basis einer verjüngten
Metallbeschichtung auf einer Faser (nur auf einer Seite aufgebracht)
die in ein Mikrokapillarröhrchen
eingefädelt
ist, das eine gleichförmige Metallbeschichtung
trägt (auf
beiden Seiten aufgebracht). Diese Ergebnisse veranschaulichen die
guten Charakteristiken dieser Einrichtung: die Spektren werden nicht
verzerrt, wenn Strom durch die gleichförmige Heizvorrichtung justiert
wird, und die Spektren verbreitern sich auf erwartete Weise, wenn Strom
durch die verjüngte
Beschichtung fließt.
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9 zeigt
typische Gruppenverzögerungen.
Das wichtige Ergebnis besteht darin, daß (mit Ausnahme der langwelligen
Seite der Dispersion, wo ein wesentlicher Strom gleichzeitig durch
beide Heizvorrichtungen fließt)
das Abstimmen der durch fließenden
Strom induzierten Gruppenverzögerungen durch
jede der Heizvorrichtungen entkoppelt ist: fließender Strom durch die gleichförmige Heizvorrichtung
verschiebt die Gruppenverzögerungskurven gleichförmig, ohne
ihre Gestalt zu verändern,
und fließender
Strom durch die verjüngte
Heizvorrichtung ändert
die Gruppenverzögerungssteigung
und die Mittenposition des Reflexionsbands auf erwartete Weise. Ähnliche
Tests mit Mikrokapillarröhrcheneinrichtungen
mit doppelter Heizvorrichtung ähnlich 4 führten zu
Ergebnissen, die den in 8 und 9 gezeigten
im wesentlichen ähnlich
sind.
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Mikrokapillarröhrchen liefern
somit die Basis für
eine neue Art von Design für
thermisch abgestimmte Fasergittereinrichtungen. Durch ihren Einsatz
erhält
man eine einfache preiswerte Möglichkeit, um
mehrere Heizvorrichtungen zu erzielen, die zum flexiblen Abstimmen
von Gittereigenschaften unabhängig
gesteuert werden können.
Sie ermöglichen auch,
daß die
Herstellung der Dünnfilmheizvorrichtungen
von der der Fasergitter getrennt wird. Einrichtungen, die Mikrokapillarröhrchen verwenden,
weisen Leistungswirkungsgrade und optische Eigenschaften auf, die
alle mit denen von Einrichtungen vergleichbar sind, die direkt auf
die Faseroberfläche abgeschiedene
Beschichtungen verwenden. Die Einrichtungen auf der Basis von Mikrokapillarröhrchen weisen
trotz der Tatsache, daß die
Position der Achse der Faser innerhalb des Kapillarröhrchens
nicht präzise
gesteuert ist, gute optische Eigenschaften auf.
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Die
Mikrokapillarröhrcheneinrichtung
mit doppelter Heizvorrichtung, die wir demonstrierten, bietet die
Möglichkeit,
die Mittenposition des Reflexionsbands zu justieren, um die Verschiebung
zu kompensieren, die durch thermisch induzierte Änderungen in der Chirpgeschwindigkeit
oder durch Änderungen
in der Umgebungstemperatur verursacht werden kann. Diese Art von
Funktionalität
ist für
Dispersionskompensatoren auf der Basis eines einzelnen Gitters erforderlich,
die eine große
Dispersionsabstimmbarkeit aufweisen.
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Bei
diesen Einrichtungen mit doppelter Heizvorrichtung kann eine aktive
Stabilisierung der Mittenwellenlänge
des Gitters dadurch erreicht werden, daß die gleichförmige Heizvorrichtung
mit ausreichend Strom angetrieben wird, um ihren Widerstand auf
einem festen Wert zu halten. Dieser Zustand eines konstanten Widerstands
stellt bis zu einer ersten Näherung
sicher, daß die
entlang der Länge
des Fasergitters Bemittelte Temperatur konstant bleibt. Bei diesem
Ansatz dient die Beschichtung einer doppelten Rolle als Heizvorrichtung
und verteiltem Temperatursensor. Diese Art der Rückkopplungssteuerung ist attraktiv,
weil sie keinen separaten kalibrierten Temperatursensor erfordert;
der spezifische Eigenwiderstand des Metalls für die Heizvorrichtung ändert sich
auf lineare Weise mit der Temperatur (bei Gold ändert sich der spezifische
Widerstand mit 0,3%/°C). Ein
Nachteil bei diesem Effekt besteht darin, daß Temperaturgradienten, die
durch fließenden
Strom durch die verjüngte
Heizvorrichtung hervorgerufen werden, in der gleichförmigen Beschichtung
Gradienten des spezifischen Widerstands erzeugen. Dadurch erzeugt
fließender
Strom durch diese gleichförmige
Beschichtung, wenn auch die verjüngte
Heizvorrichtung in Betrieb ist, eine Eingangsleistung, die so mit
der Position variiert, daß allgemein
auch der existierende Temperaturgradient zunimmt. Auf diese Weise
liefert die gleichförmige
Heizvorrichtung nicht länger
eine einfache gleichförmige
Verschiebung des Gitterspektrums, sondern vergrößert das Chirpen. Dieser Effekt
ist mindestens teilweise für
das nichtideale Verhalten verantwortlich, das die gemessenen Gruppenverzögerungen
bei langen Wellenlängen aufweisen,
wenn erhebliche Ströme
durch beide Heizvorrichtungen fließen. Für die besondere hier beschriebene
Einrichtung wird dennoch durch dieses Verfahren nicht die optische
Leistung in dem Wellenbereich verschlechtert, der der wichtigste
ist (d.h. die kurzwellige Seite des Reflexionsbands). Die Möglichkeit,
die Mittenposition des Reflexionsbands abzustimmen, liefert außerdem zusätzliche
Flexibilität,
um sicherzustellen, daß der
WDM-Kanal nur den linearen Teil der Gruppenverzögerung sieht.